Металловедение и термическая обработка металлов: Пособие к лабораторным работам

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Восточно-Сибирский государственный технологический университет» (ГОУ ВПО ВСГТУ)

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ПОСОБИЕ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

Улан-Удэ Издательство ВСГТУ 2006

Введение УДК 669.017(075.8) ББК 34.2Я73 Рецензенты: Председатель УМС по специальности 121200 «Технология художественной обработки материалов» д.т.н., профессор В.И.Куманин Зав. кафедрой АлтГТУ, д.т.н., профессор А.М. Гурьев М54 МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ: Пособие к лабораторным работам / И.Г. Сизов, Б.Д. Лыгденов, Д.М. Махаров, Аганаев Ю.П., И.Б. Обунеев. Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2006. 238 с. Цель пособия — оказание помощи студентам при изучении дисциплины металловедение, а также развитие у них навыков самостоятельной работы и научного исследования. Приведены 12 лабораторных работ, вопросы для контроля и самопроверки, задачи. Теоретические сведения по работам расширены, что важно для студентов заочников, не всегда имеющих возможность пользоваться дополнительной литературой. Работы состоят из нескольких разделов: цель работы, краткие сведения из теории, задания и методические указания, порядок оформления отчета, разделы программы, которые нужно знать при выполнении и сдаче лабораторной работы. Для студентов технических специальностей вузов. В издании отражен многолетний опыт преподавателей кафедры «Металловедение и технологии обработки материалов» Восточно-Сибирского государственного технологического университета и Алтайского государственного технического университета.

Ключевые слова: аустенит, термическая обработка, закалка, сталь, чугун, цветные металлы.

ББК 34.2Я73 © Сизов И.Г. с соавт., 2006 г. © ВСГТУ, 2006 г.

Металловедение - наука о металлах и сплавах. Она устанавливает связь между свойствами, структурой, составом и обработкой металлов и сплавов. Свойства металлов и сплавов (механические, физические, химические, технологические) зависят от их структуры, а структура, в свою очередь, зависит от обработки (термической, химико-термической, холодной и горячей пластической деформации, сварки и т.д.). Металловедение знакомит с теми законами, по которым структура металлов и сплавов изменяется в зависимости от их обработки и состава, и с теми внутренними превращениями, которые протекают в сплавах при изменении температуры или химическом и механическом воздействии на них. Вместе с этим металловедение даёт нам знания о применении металлов и сплавов, указывает на пути рационального выбора их для определенного назначения. В развитие металловедения большой вклад внесли русские, советские ученые, среди которых Н.С. Курнаков, И.Н. Байков, С.С. Штейберг, М.Е. Блантер, Я.Б. Фридман, Ю.М. Лахтин, А.А. Бочвар, И.А. Одинг, И.В. Кудрявцев, И.Н. Богачёв, Ю.А. Геллер, И.И. Сидорин и др., но основоположниками научного металловедения по праву являются русские инженеры Павел Петрович Аносов и Дмитрий Константинович Чернов.

3

Лабораторная работа 1 МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ. I. Цель работы. Целью работы является изучение макроскопического исследования строения и сплавов по шлифам и изломам.

методов качества

II. Сведения из теории. Макроскопический анализ заключается в определении строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при помощи лупы или бинокулярного микроскопа при увеличении до 30 раз. Строение металлов, изучаемое при помощи макроскопического анализа (макроанализа) называется макроструктурой. Макроанализ широко применяется в металлургической и машиностроительной промышленности. Макроскопическим анализом выявляются: 1. Характер излома (хрупкий или вязкий), излом усталости. 2. Дефекты, нарушающие сплошность металла: неметаллические включения, волосовины, пористость, рыхлость, раковины, расслоения, закаты, флокены, трещины. 3. Химическая неоднородность (ликвация). 4. Дендритная и волокнистая структура. 1. Макроанализ по виду излома. Излом дает возможность выявить качество металла (по величине зерна и характеру его разрушения). Зерно - объем металла, состоящий из отдельных кристалликов, одинаково ориентированных в пространстве, 4

отделенных от другого объема поверхностью раздела границей зерна. Существует внутренняя связь между наблюдаемой на изломе величиной зерна и свойствами металла. Особенно резко величина зерна влияет на сопротивление металла динамическим нагрузкам, на его вязкость. Чем крупнее зерно, тем сплав становится более хрупким. Хрупкость металла может явиться причиной разрушения деталей машин и конструкций в процессе их эксплуатации. Величина зерна зависит от многих факторов: химического состава сплава, условий его кристаллизации в период перехода из жидкого состояния в твердое, условий последующей пластической деформации (в горячем или в холодном виде), термической обработки. При ускоренном охлаждении жидкого металла или при введении в жидкий металл специальных присадок– модификаторов, структура получается мелкозернистой. При последующем высокотемпературном и длительном нагреве металла, зерна могут увеличиваться до значительных размеров. Причиной такого роста зерен является стремление системы уменьшить запас свободной поверхностной энергии, при этом происходит слияние отдельных мелких зерен в более крупные. Изменение величины зерна в зависимости от температуры и времени нагрева можно наблюдать на углеродистой стали 45 (рис.1). Чем выше температура нагрева и продолжительнее нагрев, тем больше укрупняется зерно. На величину зерна существенное влияние оказывает химический состав стали. Многие легирующие элементы (хром, никель, вольфрам, ванадий), вводимые в сталь, уменьшают склонность стали к росту зерна. Пластическая деформация (прокатка, ковка, штамповка), термическая обработка (отжиг, нормализация, 5

закалка) могут вернуть сплаву мелкозернистое строение, разрушить крупное зерно, не нарушая сплошности металла.

Рис 1. Схема роста зерна в сталях (Сталь 45 - углеродистая качественная конструкционная. Химический состав: С = 0,42-0,5%, Si = 17-0,37%, Мn - 0,5-0,8%, S ≤ 0,040%, Р ≤ 0,040)

2. Хрупкий и вязкий излом. При анализе необходимо указать, произошло хрупкое или вязкое разрушение металла. Хрупкий излом характеризуется чётко выраженными границами зёрен, без видимых следов их пластической деформации. Металл, склонный к хрупкому разрушению, может разрушиться даже под действием небольших внешних сил. Вязкий излом характеризуется большей или меньшей степенью деформации металла, предшествовавшей его разрушению. Границы отдельных зёрен в этом случае не просматриваются. 3. Усталостный излом. Характер излома, полученного в результате разрушения деталей машин, может указать, произошло ли их разрушение 6

мгновенно, или процесс разрушения развивался постепенно, во времени (часы, сутки, месяцы). При постепенном развитии процесса разрушения образуется характерный излом, называемый усталостным. Процесс разрушения в этом случае обычно начинается у поверхности детали и постепенно распространяется вглубь, давая сглаженную поверхность в местах зарождения трещин. Сглаженная поверхность получается в результате длительного контакта (трения) двух поверхностей образовавшейся микротрещины. Когда сечение детали значительно ослабевает, в результате увеличения количества микротрещин и роста их протяженности, происходит мгновенное, полное разрушение детали с кристаллическим строением второй части излома. Усталостные разрушения встречаются в деталях, работающих с переменными нагрузками по величине и знаку с большой частотой. Если деталь работала при нормальных нагрузках (без перегрузок), а металл обладал достаточно высокой пластичностью, то зона медленного разрушения значительно больше зоны мгновенного разрушения. И наоборот, если работа детали сопровождалась временными перегрузками, или металл имел высокую твердость и низкую вязкость, то зона медленного разрушения занимает малую площадь в сечении излома, а зона мгновенного излома - большую площадь. Обычно разрушение деталей в результате их усталости наблюдается при несовершенстве их геометрической формы (наличие резких переходов от одной поверхности к другой), наличии на поверхности задиров, рисок, царапин, загрязнённости металла неметаллическими включениями. На рисунке 2 приведена схема усталостного излома.

7

В результате разной скорости растворения в кислотном растворе здоровых и дефектных участков металла, а также участков металла, имеющих разную структуру и химический состав, на плоскости разреза отчётливо выявляются все дефекты металла и особенности его макроструктуры. 5. Дефекты, нарушающие сплошность металла. Из многочисленных дефектов, нарушающих сплошность металла могут быть отмечены следующие: неметаллические включения; пористость; волосовины, флокены.

Рис 2. Схема излома усталости, прошедшего по шейке коленчатого вала

4. Оценка качества металла методом глубокого травления. Для выявления в металле различных металлургических дефектов, нарушающих сплошность металла, а также для выявления строения металла (дендритное или волокнистое) применяется метод глубокого травления. Сущность метода заключается в том, что металл (прокат, отливка, поковка или готовая деталь) разрезается в долевом или поперечном направлениях, шлифуется по плоскости разреза (вначале на шлифовальном станке, а затем тонкими наждачными шкурками) и травится в водном растворе соляной (в отношении 1:1) или серной (в отношении 1:5) кислоты, при температуре 60-70° С. Продолжительность травления колеблется от 30 минут до 1-2 часов, в зависимости от химического состава и структурного состояния металла. Посла травления микрошлиф промывается в проточной воде и сушится фильтровальной бумагой или сжатым воздухом. 8

Неметаллические включения. К неметаллическим включениям относятся примеси, попадающие в металл в процессе его выплавки. К таким примесям относятся MgS, FeS, SiO2, Аl2Оз и другие. Неметаллические включения могут быть пластичными и при деформации металла принимать нитевидную форму, как, например MgS (сульфид марганца) (рис.3), или хрупкими, которые при деформации металла разрушаются, не деформируясь, и располагаются в виде цепочек, как, например А12О3 (окись алюминия) (рис.3). Неметаллические включения нарушают сплошность металла. Чем острее форма включения, тем большая опасность возникновения в этих местах высоких напряжений. При значительных переменных нагрузках эти места могут явиться началом возникновения трещин усталости. Неметаллические включения часто могут быть выявлены на магнитных дефектоскопах лишь после окончательной обработки деталей. Пористость. Пористость, уменьшая плотность металла, понижает характеристики его механических свойств (твёрдость HВ, HRC, предел прочности σв МПа, предел

9

текучести σт, относительное удлинение δ%, относительное сужение ψ%, ударную вязкость КС МДж/м2. Пористость обнаруживается в виде точечных пустот, как результат наличия в стали газовых пузырей или неметаллических включений. Газовые пузыри образовываются в процессе кристаллизации металла, насыщенного различными газами (кислородом, азотом, водородом). Газы могут равномерно распределяться по всему объёму металла, заполняя различные несплошности (так называемая рассеянная пористость), или концентрироваться в подкорковой зоне металла (рис.3). Волосовины. Волосные трещины могут встречаться на поверхности прокатанного металла и по его сечению. Опасность их заключается в том, что они могут служить очагом разрушения деталей машин, особенно при работе деталей с переменными нагрузками. Главными причинами образования таких волосовинтрещин являются газовые пузыри и неметаллические включения. При деформации металла они вытягиваются в тонкие, волосные капилляры (рис.4). Если газовые пузыри располагаются под поверхностным слоем металла (подкорковые газовые пузыри), то волосовины могут выйти на поверхность металла и обнаруживаются невооруженным глазом. Также поверхностные волосовины удаляются, как правило, на металлургических заводах путём шлифовки поверхности наждачными кругами, вырубкой пневматическими зубилами или другими способами. Внутренние волосовины, расположенные на различной глубине по сечению металла, являются причиной забракования деталей после больших затрат на их механическую обработку. Флокены. Флокены обнаруживаются в поперечном сечении проката (после глубокого травления) в виде 10

извилистых волосных трещин протяжённостью от долей миллиметра до нескольких десятков миллиметров. Флокены могут также выявляться в долевом (вдоль проката) изломе стали,

Рис 3. Металлургические дефекты в сталях

в виде серебристых пятен, по цвету резко отличных от излома здоровой части металла (рис.4). Причиной возникновения флокенов являются выделения из стали водорода, растворившегося в ней в 11

процессе выплавки (водород попадает в сталь из шихта, из печных газов).

Зональная ликвация является следствием неравномерного распределения химических элементов по сечению слитка или проката. Склонны к ликвации сера, фосфор и углерод (рис.5).

Рис 4. Металлургические дефекты в сталях

Растворимость водорода в стали уменьшается с понижением её температуры. Если охлаждение после прокатки или ковки происходит медленно, то водород успевает продиффундировать и удалиться в атмосферу. 5. Химическая неоднородность (ликвация). Ликвация (химическая неоднородность) может быть зональной или дендритной. 12

Рис 5. Химическая неоднородность стали (ликвация). 13

Дендритная ликвация происходит в пределах отдельных кристалликов как результат равной растворимости того или иного элемента в твёрдой фазе. Дендрит имеет древовидное строение (в виде ёлочки), при котором отчетливо видны оси дендритов и междендритное пространство. При определении хим. состава и твёрдости "осей" дендритов и межосных пространств может быть обнаружена значительная разница в их величинах. Химическая неоднородность - ликвация ухудшает механические свойства сплавов, делает их неоднородными. 7. Выявление ликвации серы по методу Баумана. Сера и фосфор опасны не только своим абсолютным количеством, но и склонностью к ликвации - неравномерному их распределению. В ряде случаев, при общем небольшой количестве, сера и фосфор могут концентрироваться в отдельных зонах сечения и достигать опасных пределов. Поэтому важно знать не только абсолютное количество этих элементов в стали, но и характер их распределения, метод Баумана даёт возможность решить эту задачу. Сущность метода заключается в следующем: фотографическую бромосеребряную бумагу, смоченную в 5% водном растворе серной кислоты, эмульсионной стороной накладывают на поверхность макрошлифа и выдерживают 1-2 минуты. При этом необходимо обеспечить плотный контакт между бумагой и металлом. Сера в стали находится в виде химических соединений с марганцем или железом. При наличии серы на поверхности макрошлифа будут происходить следующие реакции: MnS(FeS) + H2SO4 = MnSO4(FeSO4) +H2S; 2AgBr + H2S = 2HBr + Ag2S. Ag2S образует на фотобумаге тёмные пятна, которые указывают на места расположения (скопления) серы. Чем темнее получается отпечаток, тем большее скопление серы. 14

Отпечатки промывают в воде и закрепляют в гипосульфите. Такой метод даёт представление о качественном распределении серы по сечению металла. 8. Волокнистая структура. Волокнистая структура обнаруживается в металле, подвергнутом пластической деформации (прокатке, ковке, штамповке). В процессе деформации, например прокатки, литой металл деформируется в определённом направлении. Имеющаяся в металле неоднородность также ориентируется в направлении деформации. Вытягивается вдоль прокатки дендриты и междендритные области - зоны, обогащенные серой и фосфором, вытягиваются поры, образующие при этом тончайшие капилляры, деформируются неметаллические включения. В результате такой деформации, металл приобретает характерный, ориентированный вдоль вытяжки "рисунок" структуры. Ориентированная в определенном направлении макроструктура приводит к неоднородным механическим свойствам металла в долевом и поперечном направлениях. Образцы металла, вырезанные для механических испытаний в поперечном направлении, обычно ослаблены. Разность механических свойств в долевом и поперечном направлениях особенно резко проявляется при действии механических нагрузок. Различие в свойствах иногда бывает в 2-3 раза (рис 6.). При изготовлении деталей штамповкой стремятся осуществить такой процесс штамповки, при котором волокно следовало бы контуру детали так, как это показано на рисунке 6а. III. Задание. По имеющимся в лаборатории экспонатам изучить, описать и зарисовать: 15

1. Различные виды изломов (мелкозернистый, крупнозернистый, хрупкий, вязкий, усталостный). 2. Дефекты, нарушающие сплошность металла (пористость, усадочные раковины, надрывы и флокены). 3. Неметаллические включения (сульфиды, оксиды, нитриды). 4. Дендритное и волокнистое строение металла. IV. Контрольные задачи. 1. Решить одну из приведённых задач (указанную преподавателем). 2. Оформить отчёт, все рисунки выполняются карандашом, чётко, с необходимыми пояснениями. Задача 1 Два коленчатых вала имеют различную макроструктуру (рис. 6 и 7);

Задача 2 Два коленчатых вала были разрушены в процессе эксплуатации в области шатунных шеек. Виды изломов изображены на рисунках 8 и 9.

Рис. 8

Рис. 9

Описать: 1. Вид и строение изломов. 2. Характер нагружения коленчатых валов. 3. Причины разрушения. Задача 3 Качество нагрева металла под штамповку контролируется по излому. Описать изображенные на рисунках 10 и 11 изломы и указать основные факторы, влияющие на рост зерна:

Рис. 6

Рис. 7

Описать: 1. Строение макроструктуры, указанной на приведенных рисунках. 2. Способы получения коленчатых валов с данными макроструктурами. 3. Методы выявления макроструктуры.

16

Рис. 10

Рис. 11

Описать: 1. Влияние температуры нагрева. 2. Влияние времени нагрева. 3. Влияние химического состава стали. 17

Задача 4 Две одинаковые детали из алюминиевого сплава (силумина) были отлиты в землю (рис.12) и кокиль (рис.13).

3. Влияние неметаллических включений на механические свойства. 4. Радикальные средства уменьшения неметаллических включений в металле. Задача 6 Два стальных болта изготовлены штамповкой и резанием (рис.15 и 16).

Рис. 12

из

проката

Рис. 13

Описать: 1. Влияние на величину зерна скорости кристаллизации. 2. Влияние на величину зерна числа центров кристаллизации, зарождающихся в единице объёма в единицу времени. 3. Модифицирование и его влияние на величину зерна. Задача 5 Неметаллические включения располагаются в виде тонких вытянутых линз или округлых разрозненных включений.

Рис. 15

Рис. 16

Описать: 1. Какой болт изготовлен штамповкой и какой резанием? 2. Какой из болтов имеет более однородные механические свойства (ударную вязкость) в продольном и поперечном направлениях. 3. Методы выявления макроструктуры. Задача 7 Образцы, вырезанные из двух катанных штанг имеют различную ликвацию по сере (S) (рис.17 и 18).

Рис. 14

Описать: 1. Какие виды неметаллических встречаются в сталях. 2. Причины попадания их в металл. 18

включений Рис. 17

Рис. 18 19

Описать: 1. Что такое ликвация, виды ликвации. 2. Компоненты, склонные к ликвации. 3. Методы выявления ликвации серы. 4. Влияние ликвации на механические свойства.

3. Способы предупреждения образования пористости. Задача 10 Стальной слиток после полного охлаждения имеет макроструктуру, указанную на рисунке.

Задача 8 Сварной шов после сварки плавящимся электродом приобрёл макроструктуру, указанную на рисунке.

Рис. 21 Рис. 19

Описать: 1. Описать макроструктуру шва и околошовной зоны. 2. Указать причину неоднородного строения шва и околошовной зоны. Задача 9 В стальных деталях после отливки их в земляную форму была обнаружена повышенная пористость.

Описать: 1. макроструктуру стального слитка. 2. Зональную ликвацию. 3. Дендритную ликвацию. Задача 11 Стальной слиток после полного охлаждения имеет макроструктуру, указанную на рисунке.

Рис. 20

Описать: 1. Возможные причины образования пористости в литых деталях. 2. Влияние пористости на свойства отливок. 20

Рис. 22

Описать: 21

1. Макроструктуру стального слитка. 2. Зональную и дендритную ликвацию. 3. Указать марку сталей, кристаллизующихся с концентрированной усадочной раковиной, способ раскисления. Задача 12 Стальной слиток после полного охлаждения имеет макроструктуру, указанную на рисунке.

Рис. 24

Рис. 25

Описать: 1. Как называется изображённый на рисунках дефект, причины возникновения дефекта. 2. Меры, применяемые для предупреждения дефекта.

Рис.23

Описать: 1. Макроструктуру стального слитка. 2. Зональную и дендритную ликвацию. 3. Указать марку сталей, кристаллизующихся с рассеянной пористостью по всему слитку, способ раскисления. Задача 13 В изломе хромоникелевой стали видны своеобразные белые (серебряные) пятна, в поперечном сечении на макрошлифе указанные дефекты выявляются в виде извилистых трещин, различной протяжённости.

22

Задача l4 Заготовки кулачковых валиков получаются штамповкой. После механической обработки на валике и кулачках были выявлены прямолинейные трещины различной протяженности.

Рис. 26

Описать: 1. Наименование дефекта и причины возникновения. 2. В чём заключается опасность дефекта. 3. Методы борьбы и методы выявления дефекта.

23

его

Лабораторная работа 2 ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ I. Цель работы. Ознакомление с основными механическими свойствами, определяющими конструкционную прочность металлических материалов; изучение техники испытания на растяжение, твёрдость и ударный изгиб. II. Сведения из теории. Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления различных деталей и конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам. Конструктивная прочность-комплекс механических свойств, обеспечивающих надёжную и длительную работу материала в условиях эксплуатации. 1. Деформация. Приложенные к материалу внешние силы вызывают деформацию. Деформация - это изменение формы и размеров тела под действием внешних сил, при изменении температуры, влажности, фазовых превращениях и других воздействий. Различают два основных вида деформации: упругую и пластическую, физическая сущность которых различна. Влияние упругой (обратимой) деформации на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия вызывающих её нагрузок, так как под действием приложенных сил происходит только незначительное смещение атомов. Поэтому после снятия нагрузки, смещённые атомы под действием сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесие и кристаллы приобретают свою первоначальную форму и размеры. Процесс деформации под 24

действием постепенно возрастающей нагрузки складывается из трёх последовательно накладывающихся одна на другую стадий (рис.1). Даже незначительно приложенное напряжение вызывает упругую деформацию и, в чистом виде, наблюдается только при напряжениях до точки А. Упругая деформация характеризуется прямо пропорциональной зависимостью от напряжения и упругим изменением размеров межатомных расстояний.

Рис. 1. Схема процесса деформации металла

При некоторых значениях напряжений (выше точки А) начинается пластическая деформация в отдельных зёрнах металла. Дальнейшее увеличение напряжений вызывает увеличение упругой и пластической (остаточной) деформации (участок АВ упругопластических деформаций). 25

При достижении напряжения так называемого предела или порога упругости (около точки А) деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Пластическая часть деформации остается. Пластическая (остаточная, необратимая) деформация, остающаяся после снятия нагрузки, связана, с перемещением атомов внутри кристаллов на относительно большие расстояния и вызывает остаточные изменения формы, структуры и свойств без макроскопических нарушений сплошности металла. 2. Определение механических свойств. Механические свойства - это характеристики определяющие поведение материала под действием приложенных внешних сил. Механические свойства характеризуются механическими напряжениями (прочность), деформациями (пластичность), работой (ударная вязкость), долговечностью (длительная прочность) и зависят от формы и размеров изделия, состояния поверхности, скорости нагружения, структуры, влияния окружающей среды, температуры и многих других факторов. К основным механическим свойствам относятся: прочность - т.е. сопротивление материала деформации и разрушению; упругость способность материала восстанавливать свою форму и объем после прекращения внешних сил или других причин, вызывавших деформацию; пластичность - способность материала под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму, размеры и сохранять остаточные деформации после устранения этих сил; твёрдость – сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твёрдого тела; ударная вязкость - способность материала сопротивляться действию ударных нагрузок; истираемость - способность материала изнашиваться под влиянием сил трения. Совокупность таких механических свойств составляет конструктивную прочность. 26

Механические свойства определяются по результатам механических испытаний. Механические испытания - это определение механических свойств материалов различными способами. По характеру изменения во времени действующей нагрузки различают испытания: статические (на растяжение, сжатие, твердость, изгиб, кручение); динамические или ударные (на ударную вязкость); усталостные (при многократном циклическом приложении нагрузки). При статических испытаниях нагрузка прилагается сравнительно медленно и плавно возрастает. При динамических испытаниях нагрузка прилагается с ударом и с большой скоростью. При усталостных испытаниях нагрузка прилагается статической или динамической нагрузкой многократно. Каждое из указанных испытаний не определяет всех механических свойств материала и его поведение в готовых деталях, а лишь обнаруживает те его свойства, которые характерны для него в данном напряжённом состоянии. Тем не менее, механические испытания образцов стандартных размеров и формы в условиях одинакового напряжённого состояния дают основные исходные данные, позволяющие сравнить и оценить свойства различных материалов. 3. Испытание на растяжение. Испытание на растяжение (ГОСТ 1497-84) широко применяют для конструкционных сталей, цветных сплавов. Для испытания используют разрывные и универсальные испытательные машины. Применяют стандартные образцы, как правило, круглого или прямоугольного сечения (рисунок 2). Образцы состоят из рабочей части и головок, форма и размеры которых соответствует захватам машин. Испытательные машины состоят из механизмов нагружения образца, передачи растягивающей силы, центровки образца, измерения растягивающего усилия. Кроме того, машины для 27

испытания снабжены прибором, записывающим диаграмму растяжения, т.е. график зависимости между силой, приложенной к образцу и его абсолютным удлинением. Автоматическая запись диаграммы деформирования осуществляется специальным прибором, карандаш которого получает поступательное движение, пропорциональное нагрузке.

Рис. 2. Образец для испытания на растяжение.

4. Диаграмма деформации при растяжении. Характерные участки и точки диаграммы растяжения показаны на рисунке 3. По оси абсцисс откладывают абсолютное удлинение ∆L образца, а по оси ординат значения растягивающей силы P. На первом участке диаграммы 0-1 поучим прямолинейную зависимость между силой и удлинением, что отражает закон Гука. При дальнейшем увеличении силы (за точкой 1) прямолинейная зависимость между Р и ∆L нарушается. Точка 1 соответствует пределу пропорциональности, т.е. наибольшему напряжению, при котором ещё соблюдается закон Гука ( σ пц = Pm / F0 ). Несколько выше точки 1

находится точка 1’, соответствующая пределу упругости. Предел упругости задаётся и обозначается σ 0,05 напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% длины образца. За точкой 1 возникают уже заметные остаточные деформации. В точке 2 диаграммы материал начинает переходить в область пластичности - наступает явление текучести образца. На диаграмме растяжения получается горизонтальный участок 2-3 (площадка текучести), параллельный оси абсцисс. 28

Рис. 3. Характерные участки и точки диаграммы растяжения.

Для участка 2-3 характерен рост деформации без σT , заметного увеличения нагрузки. Напряжение отвечающее нагрузке РT - это предел текучести, т.е. напряжение, при котором рост деформации происходит без заметного увеличения нагрузки. Предел текучести устанавливает границу между упругой и упругопластической зонами деформирования. Даже небольшое увеличение напряжения (нагрузки) выше предела текучести вызывает значительные деформации. Для материалов, не имеющих на диаграмме площадки текучести, принимают условный предел текучести - напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает определённого значения, установленного техническими условиями. Обычно, допуском для величины остаточной деформации при растяжении принято остаточное удлинение 0,2%. Предел текучести σ 0, 2 (условный) - напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% длины образца. При увеличении напряжений сверх предела текучести при растяжении в результате сильной деформации происходит упрочнение металла и сопротивление деформации увеличивается, поэтому за участком текучести, т.е. за точкой 29

3, наблюдается подъём кривой растяжения. До точки 4 удлинение образца происходит равномерно. Наибольшее значение нагрузки, предшествовавшее разрушению образца, обозначим Рмакс. Точка 4 характеризует максимальное условное напряжение σ = Pмакс / F0 . Временное сопротивление разрушению (предел прочности) σ в - напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Рмакс, предшествующей разрыву образца. В момент, соответствующей нагрузке больше Рмакс появляется заметное местное сужение образца (шейка). Участку 4-5 соответствует быстрое уменьшение сечения шейки, вследствие этого растягивающая сила уменьшается; хотя напряжение растёт. При дальнейшей деформации шейка сужается, и образец разрывается по наименьшему сечению Fк, где напряжения в действительности достигают наибольшего значения. Таким образом, нарастание пластической деформации при растяжении происходит поэтапно: равномерная пластическая деформация до точки 4 и местная пластическая деформация от точки 4 до точки 5 - момента разрушения. Моменту разрыва соответствует точка 5, усилие разрыва обозначим Рк. Отношение разрывающего усилия к действительной площади сечения в месте разрыва Fк называется истинным сопротивлением разрыву – Sк. 5. Характеристики пластичности. Относительное удлинение δ (после разрыва) - отношение приращения расчётной длины образца после разрушения ∆l = lк – l0 к l −l первоначальной длине l0 в процентах: δ = k 0 •100%. l0 Относительное сужение Ψ (после разрыва) - отношение разности начальной площади и минимальной площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной F − Fk ⋅100%. площади поперечного сечения образца: Ψ = 0 F0 30

Чем больше δ и Ψ, тем пластичнее материал. На рисунке 4 даны типичные диаграммы растяжения различных металлов. Диаграмма с постепенным переходом из упругой в пластическую область свойственна большинству металлов в пластичном состоянии (легированные стали, медь, бронза). К хрупким материалам можно отнести закалённую и неотпущенную сталь, серый чугун. 6. Твёрдость и методы ее измерения. Твёрдость - это сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела.

Рис. 4. Диаграммы растяжения.

Применяют различные способы определения твердости. Твёрдость металлов измеряют при помощи воздействия на поверхность материала наконечника, изготовленного из малодеформирующегося материала. Наибольшее применение получило измерение твёрдости вдавливанием. В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки на поверхности образца остаётся отпечаток. Преимущества измерения твёрдости следующие: 1. Между твёрдостью пластичных материалов и другими механическими свойствами существует количественная зависимость.

31

2. Испытание твёрдости обычно не требует изготовления специальных образцов и выполняется непосредственно на проверяемых деталях. В настоящее время наиболее распространёнными методами испытания на твёрдость являются: 1. Метод статического вдавливания стального закалённого шарика - способ Бринелля; 2. Метод статического вдавливания алмазного конуса способ Роквелла. 3. Метод статического вдавливания алмазной пирамиды - способ Виккерса. Испытуемый образец должен иметь подготовленную (гладкую) поверхность. Толщину испытуемого образца или изделия выбирают такой, чтобы на обратной стороне не было заметных следов деформации. 7. Способ Бринелля. При измерении твёрдости по Бринеллю стальной закалённый шарик диаметром Д вдавливается в испытуемый образец под нагрузкой в течение определённого времени. Испытания проводятся на стационарных твердомерах - прессах Бринелля. При вдавливании шарик образует на поверхности образца сферический отпечаток - лунку, диаметр которого измеряется после удаления нагрузки и снятия образца со столика. Диаметр отпечатка измеряют специальным отсчётным микроскопом МПБ-2, на окуляре которого нанесена шкала с делениями. Диаметр отпечатка следует измерять с точностью до 0,05 мм. Для определения твёрдости пользуются готовыми таблицами с подсчитанными значениями твёрдости для отпечатков различных диаметров. Между числом твёрдости по Бринеллю и пределом прочности σ в (МПа) существует количественная зависимость в виде σ в = (3,3-4,0) НВ, где 3,6 следует принимать для углеродистых сталей в нормализованном состоянии, для низколегированных конструкционных сталей в улучшенном состоянии - 3,3. Для 32

хрупких материалов, где σ в характеризует сопротивление материала не пластической деформации, а разрушению, корреляция между пределом прочности и твердости отсутствует. Измерение твёрдости вдавливанием стального шарика не является универсальным способом. Этот способ не позволит испытывать материалы твёрдостью более НВ 450 и измерять твёрдость тонкого поверхностного слоя (после цементации, азотирования), так как стальной шарик продавливает этот слой и проникает на большую глубину. Все эти обстоятельства вызвали необходимость создания других приборов. 8. Способ Роквелла. При определении твёрдости этим методом в металл производят вдавливание специального наконечника под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок - предварительной и окончательной. В качестве вдавливаемого тела используют алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закалённый шарик диаметром 1,588 мм. Алмазный конус применяют для испытания твёрдых материалов, а шарик - более мягких. Испытания проводят на стационарных твердомерах приборах Роквелла. Подготовленный образец устанавливают на столик зашлифованной поверхностью кверху. Поворотом маховика с винтовой гайкой по часовой стрелке столик прибора поднимают таким образом, чтобы наконечник мог начать вдавливаться в испытуемую поверхность образца; при дальнейшем подъеме столика начинают вращаться стрелки на циферблате индикатора. На циферблате индикатора нанесены две шкалы (чёрная, совмещающая С с А, и красная - В) и имеются две стрелки: большая (указатель твёрдости), вращающаяся по шкале, и маленькая для контроля величины предварительного нагружения. Подъем столика, вызывающий все большее вдавливание наконечника в образец, продолжают до тех пор, пока малая стрелка не 33

примет положения, указываемого на циферблате красной точкой. Это значит, что наконечник вдавился в образец под действием предварительной нагрузки. Предварительное нагружение производят для того, чтобы исключить влияние упругой деформации и различной степени шероховатости измеряемой поверхности на результаты измерений. Для точности измерения необходимо, чтобы большая стрелка указывала на цифру 0 чёрной шкалы циферблата. Затем освобождают рукоятку, перемещение которой сообщает испытуемому образцу через рычаг основную нагрузку. Цифра, которую указывает на шкале циферблата большая стрелка, представляет собой число твёрдости по Роквеллу. Наконечник и нагрузки выбирают по таблице 1. Число твердости по Роквеллу можно приближённо пересчитать в число твёрдости по Бринеллю: HВ == 10НRС. Для перевода числа твёрдости по Роквеллу с одной шкалы на другую пользуются справочной таблицей. Преимуществом способа Роквелла является быстрота испытаний, причём результат измерения читается непосредственно на шкале прибора. Кроме того, прибор оставляет на поверхности детали столь малый отпечаток, что при необходимости его можно легко снять. 9. Способ Виккерса. Определение твёрдости этим методом осуществляется вдавливанием в испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) алмазной пирамиды. Мерой твёрдости при этом служит диагональ отпечатка. Измерение твёрдости по Виккерсу производят следующим образом. Выбор наконечника и нагрузки при измерении твердости. Подготовленный образец устанавливают на столик. Поворотом маховика столик прибора поднимают почти до соприкосновения образца с алмазной пирамидой. Затем приводят в действие нагружающий механизм.

34

Постепенно нагружающий механизм возвращается в исходное положение. Окончательное снятие нагрузки определяется по звуковому сигналу. Затем столик прибора опускают и подводят микроскоп, установленный на штанге, и замеряют длину диагонали отпечатка оптическим микрометром. Таблица 1. Выбор наконечника и нагрузки.

Приме рная твердо сть по Бринел лю НВ Свыше 700

Обоз наче ния шкал ы Рокв елла А

Цвет шкал ы

Вид након ечник а

Обща я на грузка , КГС

Обозн ачени е тверд ости

Област ь приме нения

черны й

алмаз ный конус

60

HRA

Сверхт вердые сплавы , цемент ирован ные издели я Тверд ые и термич ески обрабо танные сплавы Мягки е сплавы

239700

С

черны алмаз й ный конус

150

HRC

69-230

В

красн ый

100

HRB

стальной шарик 35

На окуляре имеются две шторки: подвижная и неподвижная, с которой совмещается левый угол отпечатка. Подвижную шторку винтом перемещают до соприкосновения с правым углом отпечатка. Перемещение подвижной шторки вызывает вращение цифровой ленты указателя. Цифра, которая соответствует положению подвижной шторки, когда она соприкасается с углом отпечатка, и будет величиной длины отпечатка. Твёрдость по Виккерсу определяется по заранее составленным таблицам по измерению величины диагонали отпечатка. Числа твёрдости по Виккерсу и по Бринеллю имеют одинаковую размерность и до 450 НВ практически совпадают, но при более высоких значениях твёрдости предпочтительно пользоваться методами Виккерса и Роквелла, поскольку алмазная пирамида или алмазный конус в отличие от стального шарика при измерениях не деформируется. Метод Виккерса дает высокую точность при измерениях твёрдости тонких слоев, поскольку диагонали отпечатка в 7 раз больше его глубины, поэтому даже при небольшой глубине проникновения пирамиды отпечаток получается достаточно чётким. 10. Определение ударной вязкости. Механические свойства гладких образцов, определённые медленным повышением нагрузки, часто не соответствует действительным условиям нагружения деталей при их эксплуатации, когда нагрузка возрастает очень быстро. Это привело к необходимости исследовать свойства металла при быстровозрастающих нагрузках, так называемых динамических нагрузках. Если детали машин, механизмов в процессе эксплуатации испытывают ударные нагрузки, то металл, идущий на изготовление таких деталей, кроме статических испытаний подвергают ещё испытанию динамической нагрузкой, так как некоторые материалы с достаточно высокими показателями статической прочности разрушаются 36

при малых ударных нагрузках. Из динамических испытаний в практике наиболее распространённым является испытание на ударный изгиб, которое выявляет склонность металла к хрупкому разрушению. Испытывают на специальном приборе - маятниковым копре. Метод (ГОСТ 9454-78) основан на разрушении образца с концентратором (надрезом) посередине одним ударом маятникового копра (рис. 5). Свободно падающий маятник копра, ударяя образец по стороне, противоположной надрезу, совершает работу, в результате которой происходит излом (изгиб) образца. В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе. Ударная вязкость - это работа удара, отнесённая к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора. Ударная вязкость обозначается символом КС. Третья буква (U,V,Т) - вид концентратора. Ударную вязкость КС (МДж/м2) вычисляют по формуле: КС = К/S0. где К - работа удара, S0 - начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора. Выбор вида концентратора осуществляется в зависимости от требований к изделию (ГОСТ9454-78): U - при обычных испытаниях сплавов; V - для конструкции повышенной степени надежности (летательные аппараты, транспортные средства, трубопроводы, сосуды давления); Т - образный с усталостной трещиной (для особо ответственные конструкций). Типы этих образцов представлены на рисунке 5. Соответственно этому ударная вязкость обозначается КСU, КСV, КСТ. Определение ударной вязкости необходимо при подборе материала для изготовления и последующем контроле: механизмов, работающих при ударных нагрузках (штампы, гильотинные и механические ножницы); деталей, имеющих сложную конфигурацию (надрезы, выточки, сложно-профильные отверстия, резкие переходы); 37

металлоконструкций, эксплуатирующихся в условиях низких температур; конструкций с повышенной степенью надёжности (летательных аппаратов, транспортных средств, нефтетрубопроводов, сосудов, работающих под давлением);

3. Каждый студент измеряет твёрдость образцов из выданного комплекта, состоящего из различных материалов. Результаты заносятся в таблицу 2. Таблица 2.

Материал

Твердость по Бринеллю НВ

Твердость по Роквеллу НRC

HB/HRC

4. Студенты знакомятся с техникой испытания образцов на ударный изгиб. 5. Определяют твёрдость и ударную вязкость образцов из различных материалов. Результаты заносятся в таблицу 3. Таблица 3. Материал KCU, НВ σв=3,4 НВ, МПа МДж/м2 Рис. 5. Образцы для испытания на удар.

ответственных конструкций, при эксплуатации которых оценка сопротивления развитию трещины имеет первостепенное значение. Получив в результате механических испытаний численные значения характеристик механических свойств, можно дать техническую оценку прочности металла. Конструкционно-прочным можно считать только такой материал, который в условиях эксплуатации обладает оптимальным сочетанием прочности, пластичности, вязкости.

IV. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Краткие сведения из теории. 3. Рисунки 1,3,5. 4. Краткое описание методик определения основных механических характеристик. 5. Таблицы 2, 3 с полученными экспериментальными данными.

Ш. Задание 1. Студенты знакомятся с теорией определения основных механических свойств. 2. Студенты знакомятся с техникой определения твёрдости на приборах Бринелля, Роквелла, Виккерса.

V. Контрольные вопросы 1. Что понимается под конструкционной прочностью материала? 2. Чем отличается упругая деформация от пластической? 3. Как подразделяют механические свойства, определяемые

38

39

различными способами нагружения материалов? 4. Почему испытания на растяжение по сравнению с другими видами испытаний применяют наиболее широко? 5. Какие прочностные характеристики определяются статическими способами нагружения? 6. Какие механические свойства материала выявляются при испытаниях на растяжение? 7. Что позволяет определить конструктору, выбирающему материал, показатели пластичности? 8. Два материала имеют равные пределы прочности, но различные значения относительного удлинения. Какому из них следует отдать предпочтение и почему? 9. Какая зависимость правильно характеризует значение δ, если исходная длина образца l0, после разрыва lk? 10. Какова размерность величины σB и ψ? 11. Что характеризует твердость металла, определяемая методами вдавливания в испытуемое тело твердого индектора? 12. Какие существуют способы измерения твердости? 13. Твердость малоуглеродистой стали HВ 180 кгс/мм2. Чему приблизительно равно значение предела прочности этой стали? 14. Какие характеристики определяют при динамических испытаниях материалов? 15. Что такое ударная вязкость? 16. Какие образцы применяют для испытания на удар? 17. Каков вид поверхности излома, если материал разрушается: а - хрупко, б - вязко? 18. Какие напряжения вызывают хрупкое разрушение материала? (нормальные или касательные) 19. В каких условиях нагружения могут работать хрупкие материалы типа серого чугуна? 20. Приведите определение физического смысла предела текучести? 40

21. Какая из характеристик σ или ψ более правильно характеризует пластичность? 22. Как создается упругая деформация? 23. В какое время года наблюдается большинство аварий механизмов, работающих в полевых условиях? 24. Какие важнейшие показатели определяют конструктивную прочность материала в деталях машин? 25. Какие детали (крупного или малого сечения) обладают большей конструктивной прочностью? 26. Твердость серого чугуна НВ 210. Каков предел прочности? 27. В чем принципиальное отличие измерения твердости по способу Роквелла от измерения по способу Бринелля? 28. На каком приборе следует измерять твердость латуни? 29. На, каком приборе следует измерять твердость дуралюмина? 30. Каким способом, по Бринеллю или по Роквеллу, надо измерять твердость мягких сталей? 31. На каком приборе следует измерять твердость азотированного слоя? 32. Каким способом следует измерять твердость образца из закаленной углеродистой стали с содержанием углерода 0,75%? 33. На каком приборе следует измерять твердость серого чугуна? 34. На каком приборе следует измерять твердость отожженной углеродистой стали с содержанием углерода 0,4%? 35. На каком приборе следует измерять твердость закаленной стали с содержанием углерода 0,6%?

41

Лабораторная работа 3. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ

I. Цель работы. Приобрести навыки в изучении сплавов с помощью диаграмм состояния. Научиться описанию процессов происходящих в сплавах на отдельных участках диаграммы. II. Сведения из теории. 1. Строение металлических сплавов. В наше время невозможно представить себе жизнь без металла. Везде с помощью металла человек создал условия для учебы, работы и отдыха. В таблице Д.И. Менделеева металлы занимают ведущее место. Если М.В. Ломоносов насчитывал только шесть металлов, то в настоящее время на долю металлов приходится около 80% всех элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Металлы делят на черные и цветные. К черным относят только один металл железо. К цветным металлам относят: золото, серебро, медь, свинец, никель, вольфрам, титан, ванадий, кобальт, алюминий, молибден, тантал и др. Цветные металлы подразделяют на легкие (алюминий, магний и др.), тяжелые (медь, свинец и др.) и благородные (золото, платина, серебро). Но в технике и производстве применение чистых металлов редко. Они дороги, недостаточно прочны. Поэтому практическое применение находят в основном сплавы. Так, например, при входе в дом вы обратили внимание на красивую блестящую ручку из металла. Что это за металл? Это бронза - сплав меди, алюминия, олова. Золотое кольцо на руке - это сплав золота, меди, никеля и серебра. Часы 42

выполнены из нескольких сплавов, каждый из которых обладает особыми свойствами. Так, например, для технически чистого железа σв= 250 МПа, а для стали в зависимости от марки может быть более 2000 МПа. Алюминий имеет σв = 60 МПа, а дюралюминий марки Д16 - 540 МПа. Медь имеет σв = 150 МПа, а латунь - 550 МПа, бронза - до 650 МПа. Очень важно, что сплавы можно получать с теми свойствами, которые требуются в данном конкретном случае. Сплавы можно получать сплавлением двух и более элементов, а также методом порошковой металлургии, диффузией и другими методами. К основным понятиям в теории сплавов относятся: система, компонент, фаза. Система - группа тел, выделенных для наблюдения и изучения. Металл и металлические сплавы являются системами. Чистый металл - простая система. Сплавы состоят из двух и более компонентов и являются сложными системами. Компоненты - вещества, образующие систему, взятые в наименьшем числе. Компонентами могут быть металлы, неметаллы и химические соединения. Фаза - это однородная часть системы, отделенная от другой части системы (фазы) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав и структура изменяются скачком. Например, при кристаллизации чистого металла в системе две фазы: жидкая (расплавленный металл) и твердая (зерна затвердевшего металла). Таким образом, строение металлического сплава более сложное, чем чистого металла, и зависит в основном от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие этот сплав. Если в твердом состоянии компоненты химически не взаимодействуют, то строение 43

сплава является механической смесью отдельных частиц, зерен обоих компонентов. Механическая смесь двух (или более) видов кристаллов, одновременно кристаллизовавшихся из жидкости, называется эвтектикой, а механическая смесь образованная из твердой фазы эвтектоидом. Структура сплава, состоящая из механической смеси, под микроскопом представляет зерна, отдельно состоящие из компонентов, образующих смесь (рис.1а).

а

б

Рис 1. Вид механической смеси (а) и твердого раствора (б) под микроскопом.

Рентгенограмма сплава покажет наличие двух решеток компонентов К1 и К2. Если составляющие сплав компоненты способны к взаимному растворению, то образуются твердые растворы. У таких сплавов атомы растворимого элемента размещены в кристаллической решетке растворителя. На микрошлифе твердого раствора кристаллы под микроскопом выгладят совершенно одинаково (рис. 16). В кристаллах твердого раствора существует только один тип кристаллической решетки. Растворителем является тот элемент, кристаллическую решетку которого имеет твердый раствор. Сплавы твердых растворов, как правило, имеют пониженную твердость и высокую пластичность в отличие от 44

механических смесей, которые имеют более высокую твердость и меньшую пластичность. Если компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие, то образуются химические соединения. Химические соединения имеют высокую твердость и низкую пластичность. Характерное отличие химического соединения металлов от твердых растворов заключается в том, что твердый раствор имеет кристаллическую решетку растворителя, а химическое соединение свою кристаллическую решетку, отличную от решеток компонентов. 2. Диаграммы состояния сплавов При исследовании строения сплавов, при выборе режимов термической обработки, режимов обработки давлением в горячем состоянии, температуры разливки жидких сплавов в формы и т.д. широко используют диаграммы состояния сплавов. Диаграмма состояния представляет графическое изображение строения сплавов в зависимости от температуры и химического состава. Диаграммы состояния могут быть построены для сплавов, состоящих из двух, трех и более компонентов. На рисунке 2 изображена диаграмма состояния сплавов двух металлов при отсутствии взаимной растворимости. По оси ординат откладывается температура. Ось ординат соответствует чистому металлу (А или В). По оси абсцисс откладывается концентрация. Общее содержание обоих компонентов в сплаве 100% и каждая точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию каждого компонента. Например, точка "а" соответствует 20% компонента В и 80% компонента А. Каждая вертикаль (ав и dc), проведенная через точку на горизонтальной оси, соответствует изменению температуры определенного сплава. Каждая точка на диаграмме состояния определяет 45

состояние сплава заданного химического состава при данной температуре. Линия KCN называется линией ликвидус. Сплав выше этой линии находится в жидком состоянии, а сама линия соответствует началу кристаллизации.

Рис 2. Диаграмма состояния сплава двух металлов при отсутствии взаимной растворимости

Линия DСЕ, соответствующая концу кристаллизации, называется линией солидус. В области, ограниченной линиями КС, CD, DK сплав находится в двухфазном состоянии - жидкая фаза и кристаллы А. В области, ограниченной линиями CN, NE и ЕС - из жидкой фазы и кристаллов В. И в точке С жидкая фаза кристаллизуется в твердую механическую смесь, эвтектику, состоящую из кристаллов А и В. Эвтектика всегда имеет определенный химический состав. Температура плавления ее ниже температуры плавления компонентов (А и В). Ниже линии солидус сплав находится в твердом состоянии и состоит из (А+Э) левее СМ и из (В+Э) правее СМ. Рассмотренная диаграмма одна из множества диаграмм состояния сплавов, которые встречаются на практике. Приведем еще несколько простых диаграмм, наличие которых мы можем встретить в более сложных диаграммах состояния. На рисунке 3 показана диаграмма состояния при неограниченной растворимости в жидком и твердом состояниях. DNC - линия ликвидус, DMC - линия солидус. 46

Между ликвидусом и солидусом сплав состоит из жидкой фазы и твердого раствора (α). Ниже линии солидус твердый раствор α. 3. Правило отрезков В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз (например, из жидкости выделяются кристаллы одного из компонентов, и состав жидкости изменяется), и количество каждой фазы (количество твердой фазы увеличивается, а жидкой уменьшается). В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит так называемое правило отрезков. В точке а, показывающей состояние сплава К (рис. 3) при температуре t1 сплав состоит из кристаллов твердого раствора α и жидкости. Выше точки t сплав находится в однофазном состоянии, и концентрация компонентов в этой фазе (т.е. жидкости) определяется проекцией точки t. При охлаждении из сплава выделяются кристаллы α и состав жидкости изменяется в сторону увеличения в ней компонента А. При температуре t1, концентрация компонентов А и В в жидкости определяется проекцией точки в. Следовательно, при охлаждении сплава К концентрация жидкости меняется по кривой te. При температуре te концентрация твердого раствора α определяется проекцией точки d. Следовательно, при охлаждении сплава К концентрация твердого раствора α меняется по кривой cd. Первое положение правила отрезков формулируется следующим образом: чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область: проекции точек пересечения на ось концентрации показывают состав фаз. 47

Рис 3. Диаграмма состояния при неограниченной растворимости компонентов в жидком и твердом состояниях.

Для определения количества каждой фазы (второе положение правила отрезков), через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз. Таким образом, если точка а определяет состояние сплава, точка в - состав жидкой фазы, а точка d состав твердой фазы, то отрезок вd определяет все количество сплава. Тогда отрезок ad определяет количество жидкой фазы, а отрезок ва - количество твердой фазы. На рисунке 4 изображена диаграмма состояния двух металлов, полностью взаиморастворимых в жидком состоянии и частично в твердом. Как видно из диаграммы, она уже имеет элементы двух предыдущих диаграмм: образование твердых растворов и образование эвтектики.

48

Рис 4. Диаграмма состояния двух металлов полностью взаиморастворимых в жидком состоянии и частично в твердом.

На рисунке 4 показана диаграмма состояния сплава с перитектическим превращением компонентов А и В. В точке К жидкость реагирует с уже образовавшимися кристаллами твердого раствора α образуя новые кристаллы твердого раствора β.

Рис 5. Диаграмма состояния с перитектическим превращением.

49

На рисунке 6 изображена диаграмма состояния сплавов, образующих химическое соединение.

Рис 6. Диаграмма состояния сплавов, образующих химическое соединение

Химическое соединение обладает определенным составом. По своим свойствам оно резко отличается от свойств компонентов, образовавших его. Диаграмма состояния сплавов в случае образования одного химического соединения распадается на две, в каждой из которых химическое соединение играет роль самостоятельного компонента. На рисунке 7 показаны примеры диаграмм состояния сплавов с полиморфным превращением. 4. Диаграмма состояния, строение и свойства сплавов Как показал Н.С. Курнаков, между составом и структурой сплава, определяемой диаграммой состояния и свойствами сплава, существует определенная зависимость (рис. 8). При образовании механическим смесей (рис. 8,а) свойства сплава находятся в интервале между свойствами чистых компонентов. 50

Рис 7. Диаграммы состояния сплавов с полиморфным превращением

Твердые растворы имеют более высокие значения временного сопротивления разрыву и твердости, чем исходные компоненты (рис. 8,б), в то же время они сохраняют достаточно высокую пластичность. Твердые растворы из-за сочетания повышенной прочности и хорошей пластичности выгодно использовать как основу для конструкционных сплавов. Образование твердых растворов сопровождается значительным увеличением электросопротивления. Поэтому твердые растворы применяют для изготовления проволоки (ленты), используемой в электронагревательных элементах и реостатах. 51

а

б

в

г

Рис 8. Связь между диаграммой состояния (структурой) и свойствами сплавов.

В сплавах с ограниченной растворимостью свойства при концентрациях, отвечающих однофазному твердому раствору, изменяются по криволинейной зависимости (рис 8,в). В области механической смеси свойства изменяются по прямой, т.е. представляют собой среднее из свойств фаз, образующих смесь. Так, если одна фаза мягкая и пластичная, а другая твердая и хрупкая, то сплав тем тверже и хрупче, чем больше в нем второй фазы. При концентрации, соответствующей химическому соединению, наблюдается характерный перелом кривой свойств (рис. 8,г). Это объясняется тем, что свойства химических соединений отличаются от свойств образующих их компонентов. Химические соединения, особенно соединения 52

металла с углеродом (карбиды) и азотом (нитриды), имеют очень высокую твердость, но хрупки. А.А. Бочвар показал, что существует определенная связь между типом диаграммы состояния и литейными свойствами. Сплавы - твердые растворы - имеют низкие литейные свойства (плохая жидкотекучесть, склонность к образованию рассеянной пористости и трещинам). Для получения высоких литейных свойств концентрация компонентов в литейных сплавах должна превышать их максимальную растворимость в твердом состоянии и приближаться к эвтектическому составу. Эвтектические сплавы обладают хорошей жидкотекучестью, и усадка в них проявляется в виде сконцентрированной раковины. Сплавы, состоящие из твердых растворов, пластичны, хорошо прокатываются, куются, прессуются и т.д. Пластичность сильно снижается при появлении в структуре эвтектики. На диаграмме двойных сплавов, указанной преподавателем, необходимо определить количество фаз, число степеней свободы в любой точке, Нарисовать кривую охлаждения (нагрева) для определенного сплава

53

Лабораторная работа 4 ДИАГРАММА Fe - С И СТРУКТУРА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ I.

Цель работы

Ознакомить с теорией процессов, происходящих в железоуглеродистых сплавах (сталях и белых чугунах) при охлаждении и нагреве; научить определять по диаграмме состояния Fe - С фазовые и структурные состояния сталей и чугунов. П. Сведения из теории

Реальные стали и чугуны имеют в своем составе кроме железа и углерода и другие элементы - примеси, которые практически мало влияют на диаграмму состояния, поэтому для понимания процессов происходящих при нагреве и охлаждении сталей и чугунов, используется двойная диаграмма состояния Fe - С (железо - углерод). Полностью (до 100% углерода) диаграмма Fe - С не имеет практического применения, поэтому используется только часть диаграммы до химического соединения Fe3C (цементит). В ряде случаев эта часть диаграммы железо - углерод (Fe - С) носит название железо - цементит (Fe - Fe3C), отсюда и двойная шкала концентраций - по углероду и по цементиту (рис. 1). 1. Компоненты Основными компонентами являются железо Fe и углерод С и оба являются полиморфными. Железо – серебристо - светлый, мягкий металл с плотностью ρ = 7,86 г/см3. Технически чистое железо (0,1 0,2% примесей) имеет следующие механические свойства: 54

Рис. 1. Диаграмма состояния железо – углерод (Fe – С) или железо - цементит (Fe – Fe3C).

Предел временного сопротивления при растяжении,

σв, МПа

250-350

Предел текучести,

σт, МПа

120-150

Относительное удлинение,

δ, %

40-50

Относительное сужение,

ψ, %

80-85

Твердость,

HB

75-90

Чем чище железо, тем меньше прочностные показатели и выше показатели пластичности. Железо плавится при температуре 1539° С и имеет две модификации: Fea и Fer. Fea существует при температурах до 911°С и в интервале от 1392 до 1539 °С, имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм (при температуре 20-25°С). 55

Важной особенностью Fea является его ферромагнетизм ниже температуры 768° С, называемой точкой Кюри. Модификация Fey существует в интервале температур от 911 до 1392° С, имеет ГЦК решетку, период которой при 911 °С равен 0,364 нм. ГЦК решетка более компактна, чем ОЦК решетка, и поэтому при переходе Fea в Feγ объем железа уменьшается приблизительно на 1%. Feγ парамагнитно. Углерод - неметаллический элемент с у = 2,5 г/см3, tпл = 3500 °С. В свободном состоянии встречается в виде алмаза и графита. В сплавах с железом встречается либо в виде графита (серый, ковкий и высокопрочный чугуны), либо в виде химического соединения с железом Fe3C - цементита (стали и белые чугуны). 2. Фазы Основными фазами в системе Fe - С являются: жидкий раствор углерода в железе; твердый раствор углерода в Feα феррит, в Feχ - аустенит; химическое соединение железа с углеродом Fe3C - цементит. Практический интерес представляют только твердые фазы. Феррит - твердый раствор внедрения углерода в Fea . В низкотемпературной модификации Fea максимальная растворимость углерода равна 0,02% при температуре 727 °С (т.Р), в высокотемпературной модификации Fea - 0,1% при температуре 1499 °С (т.Н). При комнатной температуре в феррите содержится ≈0,01% С. Механические свойства феррита близки к свойствам технического железа. Твердость - НВ 80. Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в Fγ,. Максимальная растворимость равна 2,14% при температуре 1147 °С (т.Е), что практически на два порядка выше, чем в

56

феррите. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (НВ 160...200). Аустенит парамагнитен. Цементит - химическое соединение железа с углеродом. Стехиометрическая формула цементита - Fe3C (карбид железа), и он содержит 6,67% С. Цементит имеет сложную ромбическую кристаллическую решётку, расплавляется при температуре 1600 °С, обладает высокой твердостью (НВ 800) и большой хрупкостью. По условиям образования различают: первичный Ц1 (образуется при кристаллизации из жидкости в виде больших светлых кристаллов), вторичный ЦII (выделяется из аустенита в виде сетки по границам зерен), третичный ЦIII (выделяется из графита в виде мелких зерен). 3. Механические смеси Ледебурит - эвтектическая механическая смесь: в области температур от 1147° С до 727° С состоит из аустенита и цементита (А+Ц), а ниже 727° С состоит из перлита и цементита (П+Ц). Содержит 4,3% С. Перлит – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита (Ф+Ц). Существует ниже 727° С и содержит 0,8% С. 4. Железоуглеродистые сплавы В зависимости от содержания углерода практические железоуглеродистые сплавы подразделяются на стали и чугуны. Сталями называются сплавы железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14%. Чугунами называют сплавы железа с углеродом содержание, которого более 2,14%. Так как настоящая диаграмма описывает углерод в виде цементита, то рассматриваемые чугуны носят названия белые (в изломе светлые из-за цементита).

57

5. Превращение в диаграмме Fe - FeC В диаграмме (рис. 1) отмечено три линии, параллельные оси концентрации HJB, ECF и PSK и характеризующие различные превращения.

Рис 2. Область перитектического превращения к диаграмме Fe - Fe3C

Линия HJB характеризует перитектическое превращение (рис. 2), суть которого в том, что из жидкости концентрации т. В (0,5% С) и высокотемпературного феррита концентрации т. Н (0,1% С) образуется одна фаза - аустенит концентрации т. J (0,16% С) Жв = Фн → AJ Рассмотрим кривую охлаждения сплава 1 с содержанием углерода 0,16% (точно соответствующего перитектической реакции). В т. 1 в жидкости начинается кристаллизация твердой фазы - феррита, которого по мере охлаждения становится всё больше и к т. 2 он приобретает концентрацию т. Н. Оставшаяся жидкость в этот момент имеет концентрацию т. В. При взаимодействии Фн и Жв происходит перитектическое превращение с образованием AJ. В интервале концентраций между т. Н и J после превращения 58

остается избыточный феррит, а между т. J и В - избыточная жидкость, которая по мере охлаждения также превращается в аустенит, но иной концентрации, чем перитектический. По мере охлаждения концентрация аустенита за счет диффузии атомов углерода уравнивается. В сплавах с содержанием углерода менее 0,1% и более 0,5% перитектическое превращение не идет. Линия ECF характеризует эвтектическое превращение (рис. 3), суть которого в том, что из жидкости концентрации т. С (4,3% С) кристаллизуется механическая смесь двух фаз аустенита концентрации т. Е (2,14% С) и цементита Жс → АЕ+Ц Эвтектическая механическая смесь носит название ледебурит и имеет концентрацию т. С (4,3% С). Как и все превращения - эвтектическое идет при остановке температуры (т.1-1) и заканчивается при кристаллизации всей жидкости. Итак, эвтектический чугун имеет при температуре ниже 1147° С структуру ледебурита, состоящего из А + Ц. В доэвтектическом чугуне в т. 2 (рис. 3. сплав 2) из жидкости вначале кристаллизуются зерна аустенита. По мере охлаждения количество аустенита растет, а жидкость обогащается углеродом (концентрация изменяется по линии ВС) и при температуре 1147 °С имеет концентрацию т. С (4,3% С), т.е. эвтектическую. В т. 3-3' идет эвтектическое превращение до полной кристаллизации жидкости в ледебурит. Следовательно, доэвтектический чугун наряду с ледебуритом имеет в структуре зёрна первоначально образованного аустенита. По аналогии, в заэвтектическом чугуне (рис.3, сплав 3) первоначально из жидкости выделяется цементит, обедняя жидкость, которая при температуре 1147° С также имеет эвтектическую концентрацию. Заэвтектический чугун наряду с эвтектикой - ледебуритом имеет пластины первоначально 59

выделившегося из жидкости цементита, отмечаемого как первичный (Л +Ц).

Рис 3. Область эвтектического превращения в диаграмме Fe-Fe3C.

В последующем, при охлаждении чугуна, входящий в его структуру аустенит на линии PSK претерпевает эвтектическое превращение с образованием перлита. Чугун ниже 727° С имеет следующую структуру (рис.4): эвтектический - ледебурит (П + Ц); доэвтектический П+Л (П+Ц); заэвтектический - Ц + Л (П + Ц). Линия PSK характеризует эвтектоидное превращение (рис. 5), суть которого в том, что из аустенита концентрации т. S (0,8% С) образуется механическая смесь двух фаз феррита концентрации т. Р (0,02% С) и цементита А5 → ФР + Ц Механическая эвтектоидная смесь носит название «перлит» и имеет содержание углерода 0,8%. Как правило, в равновесном состоянии в сталях перлит имеет пластинчатое строение (чередующиеся пластины феррита и цементита) (рис.6). Эвтектоидное превращение идет с остановкой температуры до исчезновения аустенита (рис. 5, сплав 1, т, 11'). Наиболее характерно образование эвтектоидной смеси перлита для сталей. Стали даже получили деление на эвтектоидные, доэвтектоидные и заэвтектоидные. 60

Рис 4. Микроструктура чугуна: а - эвтектического, х450 (ледебурит); б - заэвтектического, х100 (ледебурит + первичный цементит); в - доэвтектический, х450 (ледебурит + перлит)

Рис 5. Область эвтектоидного превращения в диаграмме Fe - FезС

Эвтектоидные содержат 0,8% С, и структура их состоит из зерен перлита (рис. 6, д). В доэвтектоидной стали (рис. 5, сплав 2) из аустенита первоначально выделяется феррит (т. 2), обогащая аустенит, концентрация которого по мере охлаждения приближается к 61

концентрации точки S. При достижении линии PSK в оставшемся аустените происходят эвтектоидные превращения с образованием перлита. Таким образом, доэвтектоидная сталь состоит из Ф + П, причем, чем больше углерода, тем большее количество перлита наблюдается в структуре (рис. 6, а, б, в, г). По количеству перлита в структуре стали в равновесном состоянии (практически после отжига) можно приблизительно определить количество углерода, исходя из того, что в перлите - 0,8% С, а в феррите его практически нет. Для этого используем пропорцию, предварительно определив примерное содержание перлита в структуре стали - А% П. 100%-0,8% С; A% П '⋅0,8%C А% П - Х% С, и отсюда X%С = 100% П В заэвтектической стали (рис. 5, сплав 3) из аустенита первоначально выделяется цементит, называемый вторичным – ЦII, обедняя аустенит по углероду, концентрация которого по мере охлаждения аустенита приближается к концентрации т. S. Далее, аустенит превращается в эвтектоидную смесь перлит по известной схеме. В результате структура заэвтектоидной стали представляет собой перлит и цементит вторичный (П + ЦII). Отличительной особенностью является то, что ЦII выделяется в виде сетки по границам зерна аустенита на месте которого может возникнуть в последующем несколько зёрен перлита. Отсюда и структура заэвтектоидной стали при температуре менее 727° С: зёрна перлита и сетка ЦII, окаймляющего одно или несколько зёрен перлита пластинчатого (рис.6, е).

диаграммы Fe - Fe3C видно (рис. 7), что эвтектоидного превращения для такого рода сплавов не происходит. Из аустенита при охлаждении начинает выделяться феррит (сплав I, т.1-2; сплав II, т.3-4). Разница феррита и сплавов только в количестве растворенного углерода. Если углерода менее 0,01%, то структура феррита остаётся неизменной вплоть до комнатной температуры (рис. 8, а). Если же углерода более 0,01% и до 0,02%, то при пересечении при охлаждении линии PQ растворимость углерода в феррите падает (рис. 7, сплав II) и углерод выделяется по границам зёрен феррита в виде включений ЦIII (цементита третичного) (рис. 8, б).

6. Технически чистое железо Как ранее было отмечено, в технически чистом железе (армко- железо) находится не более 0,02% С, что и определяет специфику формирования его структуры. Из

Рис 6. Микроструктура сталей в равновесном состоянии в зависимости от содержания углерода х450: а - 0,22%; б - 0,3%; в - 0,4%; г -0,55%; д-0,8%; е- 1,3%.

62

63

Рис. 7. Ферритная область диаграммы Fe – Fe3C.

эвтектоидной и заэвтектоидной стали. Описать, как формируется структура сталей при охлаждении из жидкого состояния до комнатной температуры. 2. С помощью микроскопа изучить микроструктуру доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сталей в равновесном состоянии. Зарисовать наблюдаемые в микроскоп структуры, определить количество присутствующих фаз и структурных составляющих в процентах, сравнить микроструктуры углеродистой и легированной хромом сталей с одинаковым содержанием углерода и дать описание. 3. Освоить метод приближенного определения углерода в стали по микроструктуре. Решить одну из рекомендуемых преподавателем задач. 1. 2. 3.

Рис 8. Микроструктура технически чистого железа х300: а - <0,01% С%; б- от 0,01 до 0,02% С.

4.

Процесс выделения ЦIII из феррита характерен для всех железоуглеродистых сплавов, имеющих в структуре феррит, просто его уловить в других структурах практически невозможно вследствие его объединения с другими видами цементита.

5.

6.

III. Задание

1. Зарисовать диаграмму состояния железо-цементит. Построить кривые охлаждения для доэвтектоидной, 64

IV. Контрольные вопросы Зарисовать и описать микроструктуру отожженной стали марки 50 (0,5%С). Определить количественное соотношение и состав фаз при температуре 730 °С. Зарисовать и описать микроструктуру отожженной стали. Зарисовать и описать микроструктуру стали марки У12 (1,2%С). Определить количественное соотношение и состав фаз при нормальной температуре. Структура стали состоит из 30% перлита, остальное феррит. Зарисовать микроструктуру стали. Определить содержание углерода в ней. Зарисовать и описать микроструктуру технического железа с содержанием 0,01% С. Определить количественное соотношение и состав фаз при нормальной температуре. Зарисовать и описать микроструктуру стали с содержанием углерода 0,02%. Определить количественное соотношение и состав фаз при температуре 727 °С. 65

7. Структура стали состоит из 70% перлита, остальное феррит. Зарисовать микроструктуру стали, определить содержание углерода в ней. 8. Структура стали состоит из одного перлита. Зарисовать микроструктуру стали. Определить количество цементита. 9. Сталь марки У10 (1,0%С) медленно охлаждалась с температуры на 50° С выше линии SE диаграммы FeFe3C. Зарисовать и описать микроструктуру стали. Определить количество цементита в стали при комнатной температуре. 10. Зарисовать и описать микроструктуру стали марки 70 (0,7% С). Определить количество перлита, феррита и цементита в стали. 11. Структура стали состоит из 90% перлита, остальное вторичный цементит. Зарисовать указанную структуру, определить содержание углерода в стали. 12. Структура заэвтектоидной стали марки У13 (1,3% С) состоит из перлита и вторичного цементита. Зарисовать указанную структуру. Определить количество цементита в ней. 13. В структуре стали содержится 12% цементита. Определить содержание углерода, зарисовать микроструктуру стали. 14. В структуре стали содержится 5,25% цементита. Определить содержание углерода, зарисовать микроструктуру стали.

4. В структуре каких сталей присутствует третичный цементит, какова его роль в формировании свойств стали? 5. В структуре каких сталей присутствует вторичный цементит? 6. При каких условиях вторичный цементит в заэвтектоидных сталях образует сплошную прослойку (сетку) по границам зерен перлита, и как это отражается на свойствах стали? 7. При каком содержании углерода в структуре углеродистой стали появляется перлит? 8. Какие структурные составляющие содержатся в структуре железоуглеродистых сплавов с содержанием углерода до 0,02%? 9. Как изменяется структура доэвтектоидных сталей с увеличением содержания углерода? 10. Как по количеству перлита определить приближенно содержание углерода в стали? 11. Какие структурные составляющие присутствуют в структуре заэвтектоидных сталей? 12. Как и почему изменяются свойства углеродистых сталей в равновесном состоянии с увеличением содержания углерода?

V. Вопросы для повторения

1. Что такое феррит, аустенит, цементит, перлит? 2. Сколько углерода может раствориться в феррите? 3. Как выглядят феррит, цементит и перлит рассмотрении в микроскоп? 66

при

67

обычного перлита может быть зернистый перлит, который получают после специальной термообработки.

Лабораторная работа 5 ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ 1. Цель работы 2. Ознакомиться с влиянием углерода на механические свойства сталей, их классификацией и назначением. II. Сведения из теории. 1. Изменение структуры содержания углерода

в

зависимости

от

Доэвтектоидные стали содержат более 0,02%, но менее 0,8% углерода. Структура доэвтектоидных сталей состоит из феррита и перлита (выделением из феррита избыточного третичного цементита пренебрегаем). С увеличением содержания углерода количество феррита в доэвтектоидных сталях уменьшается, а перлита - увеличивается (рис. 1). При содержании в стали 0,8% углерода количество перлита равно 100%. На рисунке 1 показана микроструктура доэвтектоидной стали с различным содержанием углерода. Отчетливо видно, что содержание перлита (темная составляющая) увеличивается с повышением содержания углерода. Структура эвтектоидной стали (0,8 С) состоит из одного перлита (рис. 1), всё поле заполнено перлитом. Структура заэвтектоидных сталей при комнатной температуре состоит из перлита и вторичного цементита, причем цементит может располагаться в виде сетки, зёрен или игл. В структуре заэвтектоидных сталей вместо 68

Рис 1. Равновесная диаграмма

2. Влияние углерода на механические свойства углеродистых сталей в равновесном состоянии

С увеличением содержания углерода в стали (как уже было сказано) возрастает количество фаз, имеющих более высокую твердость (перлит, цементит). Следовательно, и изменяются механические свойства: возрастает твердость, 69

предел прочности, текучести, уменьшается относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость (рис. 2).

сопротивление деформации и уменьшают пластичность и вязкость. Зная изменение механических свойств в зависимости от структуры (количества углерода) можно определить технологический процесс обработки той или иной стали. 3. Классификация сталей Структура низкоуглеродистых сталей состоит из феррита и перлита. Углеродистые стали классифицируются по качеству, которое определяется содержанием серы и фосфора, способом производства и распределением химических элементов, механическими свойствами. Чем меньше содержание вредных примесей, чем меньше пределы изменения механических свойств и содержания химических элементов, тем выше качество стали. Углеродистые стали бывают обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Наилучшим комплексом свойств обладают низкоуглеродистые стали, выплавляемые в электрических и мартеновских печах. Сталь, полученная в конвертерах с кислородным дутьем и основной футеровкой, приближается по своим свойствам к мартеновским. Большое влияние на свойства стали оказывает способ раскисления, в зависимости от полноты которого стали делят на спокойные, полуспокойные и кипящие. Обозначение марок кипящей стали сопровождается буквами "кп", полуспокойной - "пс". Марки спокойной стали либо не сопровождаются какими-либо буквенными обозначениями, указывающими способ раскисления, либо сопровождаются буквами "сп".

Рис 2. Влияние углерода на механические свойства стали.

Твердые и хрупкие частицы цементита повышают сопротивление движению дислокаций, т.е. повышают 70

1). Углеродистые стали обыкновенного качества Углеродистая сталь обыкновенного качества общего назначения поставляется по ГОСТ 380-71 мартеновского или 71

конвертерного производства. Из этой стали изготавливают сортовой прокат - швеллеры, уголки, балки, лист, трубы, проволоку и т.д. Стали подразделяются на 3 группы: А, Б, В. Сталь группы А поставляется с гарантированными механическими свойствами. В группу А входят стали, маркируемые от Ст0 до Ст6. Номер марки - условная цифра. Чем выше номер, тем больше в стали углерода и выше ее прочностные свойства. Стали этой группы применяются для изготовления деталей и элементов конструкций, не проходящих термической обработки, Необходимая прочность изделия обеспечивается выбором стали соответствующей марки. Если детали должны проходить термическую обработку, то их изготавливают из стали, поставляемой по группе Б, с гарантированным химическим составом. Стали этой группы имеют в начале марки букву Б, например, БСтЗкп. Для сталей группы В одновременно гарантируются химический состав и механические свойства. В начале обозначения марки сталей этой группы ставится буква В, например, ВСт2пс. Сталь этой группы выпускается шести категорий. Для всех шести категорий гарантируются временное сопротивление и химический состав. 2). Качественная углеродистая сталь Для изготовления более ответственных деталей применяется качественная углеродистая сталь общего назначения, поставляемая по ГОСТ 1050-74. Марка стали отражает среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20, широко используемая в котлостроении в виде листа и труб, содержит около 0,20 % углерода (0,17-0,24 %). В сталях всех марок допускается содержание серы не более 0,040 %, фосфора - не более 0,035 %, меди и никеля - не более 0,25 %, мышьяка - не 72

более 0,08 %. Механические свойства стали при комнатной температуре в состоянии после нормализации приведены в таблице 1. Для деталей сложной формы, работающих при относительно низких температурах, применяются отливки из углеродистой стали (табл. 2). Таблица 1 Механические свойства некоторых углеродистых конструкционных сталей

Марк а стали 10 15 20 25 30 35 40 45

σв МПа 34 0 38 0 42 0 46 0 50 0 54 0 58 0 61 0

σ0,2 δ, МПа % 21 3 0 1 23 2 0 7 25 2 0 5 28 2 0 3 30 2 0 1 32 2 0 0 34 1 0 9 36 1 0 6

3). Инструментальные стали.

73

ψ, % 5

KCU , Дж/см2 -

5 5

-

5

-

5

90

5

80

4

70

4

60

4

50

5 5 0 0 5 5 0

К этой группе относятся стали У7, У8, У9А, У10АУ13А и др., а также низколегированные стали, содержащие до 5 % легирующих элементов. Цифра в маркировке обозначает десятые доли процента углерода. Оптимальные температуры закалки углеродистых инструментальных сталей показаны на рисунке 3. Таблица 2 Свойства отливок с толщиной стенки до 100 мм после нормализации или нормализации с отпуском (ГОСТ 977-88)

Марка стали

Категория качества

σВ МПа

σ0,2, МПа

δ, %

Отливки общего назначения 15Л К20 196 392 24 20Л К20 216 412 22 25Л К20 235 441 19 Отливки ответственного назначения 30Л К25 255 471 17 35Л К25 275 491 15 40Л К30 294 520 14 Отливки особо ответственного назначения 45Л К30 314 540 12

ψ, %

35 35 30

49,1 49,1 39,2

30 25 25

34,3 34,3 29,4

30

29,4

Рис. 3. Температуры закалки углеродистых инструментальных сталей 74

KCU Дж/с м2

В структуре заэвтектоидных сталей У10А-У13А в закаленном состоянии наряду с мартенситом присутствуют избыточные карбиды. Углеродистые инструментальные стали необходимо охлаждать в воде или водных растворах щелочей вследствие небольшой прокаливаемости и закаливаемости, но в этом случае возникает опасность коробления и возникновения трещин. Для уменьшения коробления и вероятности возникновения трещин углеродистые стали подвергают комбинированной или ступенчатой закалке. Сталь после закалки имеет значительную хрупкость, поэтому после закалки необходим отпуск. Температура отпуска назначается 150-290° С для снятия напряжений и сохранения высокой твердости. Назначение сталей: напильники, круглые плашки, ножевые полотна, метчики, холодновысадочные матрицы и пуансоны. Низколегированные углеродистые стали марок 9ХФ, 1IX. 11ХФ. 13ХФ, ХВГ, ХВСГ, 9ХС, ШХ15 обладают большей прокаливаемостью и закаливаемостью, что позволяет выполнять охлаждение при закалке в масле и значительно уменьшить деформацию инструмента. Из них изготавливают те же виды инструмента, что и из углеродистых, но большего диаметра и длины. III. Задание

1. Провести испытание на твердость (НВ) и ударную вязкость сталей с содержанием углерода 0,2 %, 0,4 %, 0,6 %, 0,8 %, 1,2 % (стали марок 20, 40, 80, У8, У12) в равновесном состоянии. 2. По полученным результатам построить графики и сделать вывод о влиянии углерода на свойства сталей.

75

IV. Контрольные вопросы

1. Описать микроструктуру стали 50. Указать область применения этой стали в промышленности. 2. Описать микроструктуру стали 40. Указать область применения этой стали в промышленности. 3. Описать микроструктуру стали 65. Указать область применения этой стали в промышленности. 4. Указать область применения стали ВСтЗ. 5. Описать микроструктуру сталей 20 и 45. Указать какая сталь лучше обрабатывается давлением. Почему? 6. Описать микроструктуру стали У12. Указать область применения этой стали в промышленности. 7. Сравнить механические свойства сталей 30 и У8. Определить их назначение.

76

Лабораторная работа 6

эвтектические (4,3% углерода - сплав II) и заэвтектические (больше 4,32% углерода - сплав III).

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ ХИМИЧЕСКИМ СОСТАВОМ, СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ ЧУГУНОВ I. Цель работы

Изучить взаимосвязь химического состава, структуры и механических свойств чугунов. Ознакомиться с особенностями получения различных видов чугунов и областью их применения. Изучить маркировку чугунов. II. Сведения из теории.

Чугунами называются сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % углерода. Структура чугуна, и, следовательно, его механические свойства зависят не только от химического состава, но и от условий кристаллизации и охлаждения отливки, а также режима ее термической обработки. В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплаве, различает белые и серые чугуны. Белыми называются чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде химического соединения Fe3C называемого цементитом. Такое название он получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Фазовый состав белого чугуна (при нормальной температуре) цементит и феррит. Фазовые превращения, протекающие в этих чугунах при нагреве и охлаждении, отражает диаграмма Fe-Fe3C, представленная на рисунке 1. По содержанию углерода в чугунах их делят на доэвтектические (2,14 - 4,3 % углерода - сплав I), 77

Рис 1. Диаграмма состояния Fe - Fe3C и кривые охлаждения для доэвтектического (I), эвтектического (II) и заэвтектического (III) белых чугунов

Сплав II - эвтектический белый чугун (4,3%), кристаллизуется при эвтектической температуре изотермически с одновременным выделением двух фаз аустенита состава точки Е и цементита. Образующаяся эвтектическая смесь этих фаз называется ледебуритом. Фазовый состав ледебурита, как и любой эвтектики, постоянен, при дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените вследствие уменьшения растворимости уменьшается (в соответствии с линией диаграммы ES). Углерод выделяется из аустенита в виде вторичного цементита (Ц11) и к температуре эвтектоидного превращения аустенит приобретает концентрацию углерода, равную 0,8%. 78

При температуре эвтектоидного превращения (линия PSK 727° С) аустенит в ледебурите претерпевает эвтектоидное превращение, в результате которого образуется эвтектоидная смесь феррита состава точки Р и цементита - перлит. Рассмотренные превращения можно описать следующим образом: Жс → ледебурит [АЕ + ЦF] → [As + Ц П + ЦF) → ледебурит [перлит (ФР + Цк) + Цп + ЦF] Схематическое изображение, структуры сплава II при комнатной температуре приведено на рисунке 2, б. Сплав 1 - доэвтектический белый чугун (С < 4,3%)Кристаллизация начинается с выделения аустенита из жидкого раствора. Этот процесс идет в интервале температур точек 1-2, (рис.1.). К температуре точки 2 сплав приобретает фазовый состав Жс + AЕ. Количественное соотношение фаз определяется соотношением отрезков Е2 и 2С. При температуре точки 2 (лежащей на линии эвтектического превращения ECF) жидкая часть сплава, имеющая состав точки С, превращается в ледебурит: Жс + AЕ. → ледебурит [АЕ + ЦF] + АЕ. При последующем охлаждении из аустенита, как входящего в структуру ледебуритной эвтектики, так и структурно свободного выделяется вторичный цементит. Цементит, выделившийся из структурно свободного аустенита, образует самостоятельную составляющую. Цементит же, выделяющейся из аустенита ледебурита, наслаивается на уже имеющиеся в ледебурите цементитные частицы. При температуре эвтектоидного превращения (линия PSK - 727°С) аустенит, концентрация углерода в котором становится равной 0,87 % (в соответствии с линией ES аустенит приобретает концентрацию точки S), претерпевает, как и в углеродистых сталях, эвтектоидное превращение, т.е. распадается с образованием эвтектоидной смеси феррита с цементитом - перлита. 79

При этом аустенит, входящий в состав ледебурита, также превращается в перлит, поэтому ледебурит при температуре выше 727° С представляет собой смесь цементита с аустенитом, а ниже этой температуры цементита с перлитом (ледебурит превращенный). Этот процесс можно записать следующим образом: AS + Цп + ледебурит [As + Цп + ЦF] → перлит (ФР + Цк) + Цп + ледебурит [перлит (ФР + Цк) + Цц +ЦF]. Конечная структура сплава 1 при комнатной температуре изображена на рисунке 2, а. Сплав III заэвтектический белый чугун с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 %. В заэвтектических чугунах кристаллизация начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов первичного цементита. В сплаве III цементит первичный выделяется в интервале температур точек 1-2, при этом состав жидкой фазы меняется по линии ДС диаграммы (рис. 2), и при температype эвектического превращения (т.2 на линии ЕСР) жидкость приобретает состав точки С (4,3 %). Оставшаяся часть жидкости этого состава (ее количество определяется отрезком 2F) претерпевает эвтектическое превращение с образованием ледебурита - эвтектической смеси аустенита с цементитом. При дальнейшем охлаждении происходят превращения в твердом состоянии такие же, как и в сплавах I и II. Рассмотренные превращения можно записать, начиная с точки 2: Жc + Ц1 → ледебурит [АЕ + ЦF] + Ц1 → ледебурит [As + ЦП + ЦF] + Ц1 → ледебурит [перлит (ФР + ЦК) + ЦП+ ЦF] + Ц1 При охлаждении от температуры 727° С до комнатной температуры во всех сплавах (I, II, III) в соответствии с линией диаграммы PQ, 0,02 до 0,006%, в связи с чем он будет

80

Рис 2. Микроструктура белых чугунов: а - доэвтектического, б - эвтектического, в - заэвтектического.

выделяться из феррита в виде третичного цементита (ЦIII), который в белых чугунах структурно не обнаруживается. Схематическое изображение структуры сплава III при комнатной температуре приведено на рисунке 2, в. Серыми называют чугуны, в которых или весь углерод, или его часть присутствует в свободной равновесной форме 81

(структура графита). Образование стабильной фазы графита в чугуне может происходить в результате непосредственного выделения его из жидкого (или твердого) раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита Fe3C. Процесс образования в чугуне (или стали) графита называют графитизацией. Диаграмма состояния стабильного равновесия сплавов Fe-C показана на рисунке 3 (штриховые линии соответствуют выделению графита, сплошные - цементита). В стабильной системе при температурах соответствующих линий С’Д’ кристаллизуется первичный графит. При температуре 1153° С (линия E’C’F’) обнаруживается графитная эвтектика: аустенит + графит. По линии E’S’ выделяется вторичный графит, а при температуре 738° С (линия P'S'K’) образуется эвтектоид, состоящий из феррита и графита. Если при эвтектической кристаллизации выделяется только графит, то чугун называют серым, если графит и цементит, то половинчатым, и, если только цементит - белым. Вероятность образования в жидкой фазе (или аустените) метастабильного цементита, содержащего 6,67 % С, значительно больше, чем графита, состоящего только из атомов углерода. Графит образуется при очень малой скорости охлаждения, когда степень переохлаждения жидкой фазы невелика. Ускоренное охлаждение жидкой фазы частично или полностью прекращает кристаллизацию графита и способствует образованию цементита.

82

происходит сдвиг между плоскостями, и графит разрушается при небольшом приложении силы. (Это свойство графита используется в грифелях карандашей).

Рис 3. Диаграмма Fe-C (сплошные линии - образование цементита, штриховые - графита)

При охлаждении жидкого чугуна присутствуют различные включения (графит, SiO2, A12O3 и др.). Эти частицы облегчают образование и рост графитных зародышей. При наличии готовых зародышей процесс образования графита может идти и при температурах, лежащих ниже 1147 °С. Углерод может существовать в двух аллотропических формах - алмаз и графит. Алмаз - редкая форма существования углерода и в сплавах не встречается. В железоуглеродистых сплавах в свободном виде углерод находится в виде графита. Кристаллическая структура графита - слоистая (рис. 4.) Расстояние между атомами углерода, лежащими в одной плоскости, составляет 0,142 нм, а расстояние между плоскостями - 0,340 нм, т.е. между атомами плоскостей связи выражены слабее, чем между атомами одной плоскости. В связи с этим легко 83

Рис 4. Кристаллическая структура графита

Большое влияние на процесс графитизации оказывает химический состав чугуна. Элементами, способствующими графитизации, являются С, Ni, Cu, Si и др. К отбеливающим элементам, препятствующим графитизации, относятся Mn, S, Cr, W и др. Практически наиболее важными элементами, всегда входящими в состав чугунов, является кремний и марганец. Изменяя в чугуне содержание кремния при постоянном содержании марганца, получают различное количество углерода в связанном виде, т.е. различную степень графитизации. Влияние скорости охлаждения и содержания углерода и кремния на степень графитизации чугунов иллюстрируется структурными диаграммами, приведенными на рисунке 5. Графит, образующийся из жидкой фазы, растет из одного центра и, разветвляясь в разные стороны, приобретает форму сильно искривленных лепестков. В плоскости шлифа такой графит имеет вид прямолинейных или закругленных 84

пластинок, которые представляют собой сечение графитных лепестков (пластинчатый графит). Являясь неметаллической составляющей, графит хорошо виден на полированной непротравленной поверхности шлифа, поэтому оценка отливок серого чугуна по графитным включениям производится на образцах, не подвергающихся травлению.

Рис 5. Структурная диаграмма для чугуна, показывающая, какой должна получиться структура в отливке в зависимости от: а - содержания кремния и углерода (толщина стенки 50 мм); б - суммы содержаний углерода и кремния и от толщины стенки; I - белые чугуны; II - перлитные чугуны; III - серые ферритные чугуны

Степень графитизации определяет характер металлической основы серых чугунов. В зависимости от того, какая часть углерода содержится в чугуне в связанном состоянии, различают серые чугуны с ферритной,. ферритноперлитной и перлитной основой, рисунки 6, 7. 1. Феррит + графит (углерода в связанном состоянии практически нет, он весь выделяется в виде графита). 2. Феррит + графит + перлит (структура металлической основы аналогична структуре доэвтектоидной стали,

следовательно, количество связанного углерода отвечает доэвтектоидной концентрации).

Рис 6. Классификация чугуна по структуре металлической основы и форме графитных включений

3. Перлит + графит (количество связанного углерода соответствует эвтектоидному составу). Первым структурным фактором, влияющим на свойства серого чугуна, является характер графитных включений. Чем мельче графитные пластины и чем больше они изолированы друг от друга, тем выше прочностные свойства чугуна при одной и той же металлической основе. Такая структура получается модифицированием, т.е. введением в жидкий сплав небольшого количества модификаторов (ферросилиций, силикокальций). Более благоприятная структура графита, а следовательно более высокие механические свойства,

86 85

получаются при введении в жидкий чугун небольшого количества магния или церия.

Графит при кристаллизации приобретает шаровидную форму, и такой чугун с глобулярным графитом называется высокопрочным. Характер металлической основы серого чугуна является вторым структурным фактором, оказывающим влияние на свойства серого чугуна. Твердость и прочность чугуна повышаются с увеличением в металлической основе количества перлитной составляющей.

Рис 8. Фосфидная эвтектика в чугуне

Рис 7. Форма включений графита в чугуне: а - пластинчатая; б - шаровидная; в – хлопьевидная

87

В серых чугунах встречается также структурная составляющая, называемая фосфидной эвтектикой. Наличие ее обусловлено присутствием в чугуне фосфора. Фосфидная эвтектика (рис. 8.) улучшает жидкотекучесть чугуна; будучи очень твердой составляющей, она также повышает его твердость и износостойкость. При значительном количестве в структуре чугуна, фосфидная эвтектика затрудняет его обработку резанием. Серый чугун является одним из важнейших литейных материалов, т.к. характеризуется высокими литейными свойствами, удовлетворительными механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью, высокой износостойкостью, малой чувствительностью к качеству 88

обработки поверхности (надрезам) и дешевизной. Ковким чугуном называется чугун, получаемый отжигом доэвтектического белого чугуна. При отжиге цементит белого чугуна распадается, и углерод выделяется в свободной форме (графит в виде хлопьевидных включений).

замедленном охлаждении в интервале эвтектоидных температур) - нераспавшийся вторичный цементит и цементит перлита, образовавшегося при переходе через температуру эвтектоидного превращения. Чугун, полученный по такой схеме отжига, имеет структуру металлической основы - феррит- и называется ферритным ковким чугуном, режим I на рисунке 9. Он обладает повышенной пластичностью, значительной прочностью, хорошей обрабатываемостью, резанием.

Рис 9. График отжига белого чугуна на ковкий. Структура металлической основы: режим I - ферритная; режим II - ферритноперлитная; режим III - перлитная

Получение той или иной структуры металлической основы ковкого чугуна обуславливается режимом отжига. На рисунке 9 приведена схема отжига белого чугуна на ковкий. Если отжиг приводить по режиму I (такому отжигу, как правило, подвергают малоуглеродистый чугун, содержание С = 2,7-5-2,9 %), то при этом распадается весь цементит, имеющейся в белом чугуне: на первой стадии графитизации (выдержка при 950° С) распадается, в основном, эвтектический цементит; на промежуточной стадии - в процессе охлаждения до температуры второй изотермической выдержки - весь или большая часть выделяющегося вторичного цементита; а на второй стадии графитизации при температуре 720-740° С (или при

89

а

б

Рис 10. Микроструктура ферритного ковкого чугуна (а) и микроструктура перлитного высокопрочного чугуна (б).

Если отжиг проводить по режиму III (рис. 9), без второй изотермической выдержки, то в этом случае процесс сопровождается только разложением эвтектического и вторичного цементита, а получаемый чугун имеет структуру металлической основы - перлит. Такой чугун называется перлитным ковким чугуном. Иногда в таком чугуне вокруг графита наблюдается ферритная оторочка (рис.11), что объясняется разложением некоторой части цементита

90

перлита. Перлитный чугун характеризуется меньшей пластичностью, чем ферритный ковкий чугун (рис.12).

Рис 11. Микроструктура ферритного (а), ферритноперлитного (б), и перлитного (в) серого чугуна с пластинчатым графитом

Если в процессе второй изотермической выдержки в районе температуры эвтектоидного превращения процесс графитизации проводится не до конца (режим II), то часть перлита сохраняется, и структура металлической основы будет феррито-перлитной. Отжигу на перлитный ковкий чугун подвергается обычный ваграночный чугун с содержанием углерода 3,2 + 3,6 %. В этом случае для выгорания некоторого количества углерода отжиг проводят в окислительной среде - отливки упаковывают в ящики с железной рудой.

91

Особенно ценным является ковкий чугун со структурой зернистого перлита (сфероидизированного). Такая структура получается специальной термической обработкой сфероидизирующим отжигом чугунов, содержащих повышенное количество марганца (0,8 1,0 %) или небольшие добавки хрома. Ковкий чугун со структурой зернистого перлита обладает большой прочностью при сравнительно высокой пластичности: σВ, = 400-600 МПа, δ = 10,0-4,0 %, а также хорошей обрабатываемостью, повышенными антифрикционными свойствами и более высокой, чем у серого и ковкого ферритного чугуна, коррозийной стойкостью. Маркировка серых чугунов, их назначение. Все виды чугунов разделяются на марки в зависимости от значений механических свойств. Серый чугун с пластинчатой формой графита маркируется буквами СЧ (серый чугун) и числом, показывающим минимальное значение предела прочности чугуна при растяжении (табл. 6). Предел прочности при изгибе у чугунов приблизительно в два раза выше предела прочности при растяжении; в свою очередь предел прочности при сжатии в 3-5 раз выше предела прочности при растяжении, то есть приближенно можно принять, что АδВ раст. = 2δВизг. = δВ сж. Как видно из таблицы 6, лучшим по свойствам является чугун марки СЧ 45. Такой чугун называется высококачественным, он имеет структуру перлита с мелкопластинчатыми включениями графита. Включения мелкопластинчатого графита придают чугуну хорошие механические свойства: он одновременно имеет повышенную твердость и износостойкость, обусловленную перлитной структурой металлической основы. 92

Таблица 6 Механические свойства серых чугунов (ГОСТ 1412 - 85)

Марка чугуна

СЧ 25 СЧ 30 СЧ 35 СЧ 40 СЧ 45

Предел прочности при растяжении, Мпа (кгс/мм2) 245 (25) 294 (30) 342 (35) 390 (40) 440 (45)

Предел прочности при изгибе, Мпа (кгс/мм2) 450 (46) 490 (50) 490 (50) 585 (60) 635 (65)

Твердост ь НВ

Таблица 7 Механические свойства высокопрочных чугунов (ГОСТ 7293-85)

180 – 250 180 – 255 197 – 269 207 – 285 229 - 289

Из этого чугуна изготавливают такие ответственные детали, как поршневые кольца двигателей внутреннего сгорания и др. Обычно одновременно с изготовлением детали отливают образцы для испытаний на растяжение и изгиб для подтверждения плавки требованиям чертежа. Высокопрочный чугун с шаровидными включениями графита также подразделяется на отдельные марки в зависимости от механических свойств, причем, основными показателями являются предел прочности при растяжении и относительное удлинение. Сочетание высокой прочности и пластичности этих чугунов позволяет изготавливать из них ответственные изделия. Так, коленчатый вал легковой автомашины "Волга" изготавливают из высокопрочного чугуна состава: 3,4 ÷3,6 %С; l,8 ÷ 2,2 % Si; 0,96 ÷1,2 % Мп; Сг - 0,16 ÷0,3 %; < 0,01 % S; < 0,06 % Р; 0,01 ÷ 0,03 % Mg. Чугун с таким малым 93

разбросом по химсоставу и низким содержанием серы и фосфора выплавляется не в вагранке, а в электропечи. Это обстоятельство, а также применение термообработки (нормализация с последующим высоким отпуском, сообщающая металлической основе чугуна структуру зернистого перлита), приводит к получению еще более высоких свойств, чем указано в таблице 7., а именно: σв = 620 ÷ 650 МПа, δ = 8 ÷12 %, НВ = 190 ÷ 240.

Марка чугуна

ВЧ 45-5 ВЧ 50-2 ВЧ 60-2 ВЧ 70-2

Предел прочности при растяжении σВ, Мпа (кгс/мм2) 441 (45) 490 (50) 588 (60) 686 (70)

Предел текучести σТ, МПа (кгс/мм2)

δ, %

Твердос ть НВ

323 (33) 343 (35) 393 (40) 441 (45)

5 2 2 2

160-220 180-250 200-280 229-300

Из чугуна, обладающего лучшими, чем у сталей, литейными свойствами, можно литьем (т.е. дешевым способом) изготавливать детали сложной конфигурации. В ряде случаев деталь сложной конфигурации из менее прочного материала (чугуна) конструктивно оказывается прочнее простой по конфигурации детали из более прочного материала (стали). 94

При производстве ковкого чугуна весьма существенно получить при отливке чисто белый чугун, так как частичная графитизация при литье и, следовательно, образование пластинчатого графита, вызовут при последующей графитизации отложение графита на этих пластинках. Такой чугун будет иметь пониженные свойства, близкие к свойствам простого серого чугуна. Обычный состав ковкого чугуна таков: 2,4-2,8 % С, 0,81,4 Si, < % Мn, < 0,1% S < 0,2% Р. В таблице 8 приведены свойства ковкого чугуна. Маркировка его проводится следующим образом: КЧ (ковкий чугун) и далее число, образующее предел прочности при испытании на растяжение, σВ , второе число, обозначающее относительное удлинение, δ%. Не следует думать, что "ковкий" чугун действительно куют обычным способом. Ковкий чугун - это старое название, которое характеризует его повышенную пластичность по сравнению с обычными серыми чугунами (СЧ). Таблица 8 Механические свойства ковкого чугуна

Марка чугуна

Предел прочности при растяжении σВ, Мпа (кгс/мм2)

δ, %

Твердость НВ

КЧ 30 - 6 КЧ 35 – 10 КЧ 45 – 6 КЧ 60 – 3

294 (30) 342 (35) 440 (45) 585 (60)

6 10 6 3

163 149 241 269

испытывающих низкие динамические нагрузки; блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, головки блоков, картеры, плиты и основания металлообрабатывающих станков, тормозные барабаны, диски сцепления и т.д. Ковкие чугуны применяются для изготовления деталей, работающих при низких статических нагрузках (КЧ 30-6) гайки, фланцы, муфты, а также для деталей, работавших при высоких статических и динамических нагрузках или в тяжелых условиях износа (КЧ 37-12, КЧ 45-6) - задний мост автомобиля, поршневые пальцы, ступицы, муфты, коленвалы и т.д. Сравнение механических свойств всех перечисленных чугунов (см. табл. 6,7,8) показывает преимущество во многих отношениях высокопрочных чугунов перед другими видами. Поэтому высокопрочный чугун с шаровидным графитом можно применять при изготовлении деталей машин, подвергаемых ударам, действию переменных нагрузок, например, коленчатых валов, поршневых колец, всевозможных втулок, зубчатых колес, картеров, кожухов и т.д. Следует также отметить, что высокопрочный чугун с шаровидным графитом по механическим свойствам превосходит и серый и ковкий чугуны, получается непосредственно в отливках, и для его производства не требуется длительного отжига. III. Задание

1. Изучить микроструктуру образцов чугунов под микроскопом. 2. Определить приблизительно содержание углерода в каждом образце.

Серые чугуны с пластинчатой формой графитных включений применяются для изготовления деталей, 95

96

3. Зарисовать микроструктуру образцов и указать особенности в расположении фаз и структурных составляющих. 4. Решить одну задачу, указанную преподавателем. IV. Контрольные задачи 1. Два чугунных образца имеют одинаковую ферритоперлитную металлическую основу, но различаются формой графитных включений: первый содержит шаровидный графит, второй - хлопьевидный. Указать принципы маркировки чугунов, способы получения и привести (схематично) структуру. 2. Отливки чугуна с содержанием углерода 3,4 %, полученные литьем в металлический кокиль, имеют различную твердость по сечению: в сердцевине НВ 240, а на поверхности НВ 327. По техническим условиям на детали твердость должна быть НВ 160-180. Изобразить (схематично) и указать возможные структуры сердцевины и поверхностных слоев отливок. Предложить способ исправления микроструктуры, обеспечивающей понижение твердости до требуемого уровня. 3. Образец из чугуна СЧ-15 с феррито-перлитной основой и образец из чугуна КЧ 37-12 с ферритной основой имеют одинаковую твердость (НВ 163). Указать способы получения, привести (схематично) структуру. 4. Литые заготовки деталей машин имеют структуру: перлит + цементит вторичный + ледебурит. Содержание углерода в чугуне составляет 3,0%. кремния - 0,8 %, марганца - 1,0 %, серы - 0,1 %, фосфора - 0,15 %. Часть заготовок должна иметь ферритную основу, часть - перлитную, а остальные - феррито-перлитную. Выделения графита должны быть хлопьевидные. Указать режим термообработки отливок, привести (схематично) их структуру.

97

5. Два образца чугуна с содержанием углерода 2,7 % имеют следующие особенности: в первом 0,4 % С находится в связанном состоянии в виде Fe3C остальной углерод - в виде хлопьевидного графита, во втором - 0,8 % С в виде Fe3C, остальное - шаровидный графит. Описать способы получения чугунов, зарисовать (схематично) их структуры, указать принципы маркировки. 6. Два образца чугуна с одинаковым содержанием углерода 3,6 % имеют различную структуру: один из них содержит углерод в виде цементита, второй - 0,8 % С в виде цементита, а остальные в виде шаровидного графита. Описать способы получения указанных чугунов, изобразить их структуру. 7. Два образца чугуна имеют содержание углерода 4,8%. В одном образце весь углерод находится в состоянии в виде Fe3C, во втором 0,4 % С в связанном состоянии, а остальной углерод в виде графита пластинчатой формы. Зарисовать структуру указанных чугунов, указать пример маркировки. 8. Три образца чугуна имеют в своем составе 2,7 % С. В первом образце весь углерод находится в виде цементита, во втором - 0,4% С в виде цементита, а остальной углерод в виде хлопьевидного графита, в третьем - 0,8 % С в виде карбида железа, а остальной углерод в виде графита шаровидной формы. Зарисовать структуры указанных чугунов, привести пример маркировки, способы получения и области применения этих чугунов. 9. Образец чугуна с содержанием углерода 2,5 % нагрели до температуры 750° С. Определить количество фазовых составляющих по правилу отрезков и состав фаз при указанной температуре, если весь углерод у него находится в виде карбида железа. 10. Зарисовать структуру чугуна с содержанием углерода 3,0 %, если 0,8 % С находится в виде Fe3C, а 98

остальной углерод в виде графита хлопьевидной формы. Указать принцип маркировки и способы получения этого чугуна. 11. Белый чугун с содержанием углерода 5,1% нагрели до температуры 1000° С. Определить количественное отношение и состав фаз при этой температуре. Зарисовать структуру чугуна при комнатной температуре. 12. Зарисовать и описать структуру белого чугуна с содержанием углерода 4,3 %. Определить количественное отношение и состав фаз при температуре 950° С. 13. Зарисовать структуру чугуна КЧ 37-12 с ферритной металлической основой, описать способы получения чугуна, принцип его маркировки. 14. Зарисовать структуру чугуна ВЧ 45-5, если весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита. Описать получение этого чугуна, принцип его маркировки. V. Контрольные вопросы 1. Какие сплавы называются чугунами? 2. Что такое белый чугун? 3. Что такое ледебурит, при какой температуре он образуется? 4. Какие факторы способствуют графитизации? 5. Привести пример маркировки чугунов. 6. Что такое ковкий чугун как его получают? 7. Что такое высокопрочный чугун, как его получают? 8. Классификация чугунов по виду металлической основы и форме графитных включений.

99

Лабораторная работа 7 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

скорость нагрева - VH, °C /мин; скорость охлаждения – V0, °С/мин. средняя VH =Т н /τн ; средняя V0 = Т н/τ0 истинная при Тн: VOН= tg α.

I. Цель работы Закрепить и углубить знания по основам теории термической обработки стали, приобрести определенные навыки по организации, практическому осуществлению основных операций термообработки и проведению исследования влияния ее режима на структуру сталей с различным содержанием углерода. II. Сведения из теории Углеродистые стали широко применяются для изготовления деталей, работающих в самых различных условиях. Требуемые при этом свойства обеспечиваются термической обработкой. Термическая обработка - это совокупность процессов нагрев; до заданной температуры (Тн), выдержки при Тн и последующего охлаждения для придания металлу нужных свойств путем целенаправленного изменения структуры. Изменение структуры углеродистых сталей при термообработке происходит в процессах превращения П ⇒ А, растворения (при нагреве) и образования при охлаждении избыточных фаз: феррита - в доэвтектоидных сталях; цементита - в заэвтектоидных. На рисунке 1 представлена схема процесса термообработки. Параметрами процесса являются: температура нагрева - Тн, °С; время выдержки при Тн - τв, мин. (ч); 100

Рис 1. Схема циклов термообработки стали. Температуры нагрева: - Тн -для термообработки без перекристаллизации; - Тн1 для термообработки с неполной перекристаллизацией; - Тн2 - для термообработки с полной перекристаллизацией.

Каждый этап процесса важен, так как отклонение от оптимальных режимов на любом из них может привести к браку (короблению, трещинам, перегреву, пережогу и др.) Допустимые величины скоростей нагрева и охлаждения зависят от теплофизических свойств металла, конструкции и размеров детали и других факторов и назначаются исходя из условия недопустимости трещинообразования и коробления детали выше обоснованных пределов. Физически достижимая скорость нагрева определяется его способами (нагрева), разностью температур среды 101

нагрева и нагреваемого металла, массой детали и др. Более высокие скорости нагрева можно обеспечить, когда тепло генерируется в самом металле при использовании токов высокой частоты и при контактном элекронагреве. Режим охлаждения задается скоростью снижения температуры, а чаще - назначением охлаждающей среды. Выдержка при температуре нагрева (Тв) предназначена для выравнивания температуры по сечению детали, завершения фазовых превращений и выравнивания химсостава образовавшихся фаз. 1. Превращения при нагреве эвтектоидной стали Целью нагрева является получение более равномерного распределения углерода по объему стали при нужной дисперсности зерна или уменьшение степени неравновесности структуры. Нагрев отожженной углеродистой стали до температуры АС1 изменений ее структуры практически не вызывает. При Тн > AC1 перлит (П) превращается в аустенит (А). Это превращение совершается в соответствии с законами кристаллизации за счет одновременно протекающих диффузионных процессов: превращения железа Feα с кристаллической решеткой ОЦК в Feγ с решеткой ГЦК; распада цементита (Ц) Fe3C ⇒ Fer+- С; растворения углерода (С) в Fer 2. Механизм процесса превращения перлита в аустенит При Тн ≥ Аc1 в зернах перлита на границах кристаллов феррита (Ф) и цементита образуются зародыши кристаллов аустенита (см. рис.2). Согласно термодинамике увеличение ∆ТН = Тн –A1 ведет к увеличению разности энергий Гиббса аустенита и перлита: ∆Gтн = GА – GП = f (∆ТН) Чем больше убыль энергии в ходе процесса превращения перлита в аустенит, тем он активнее. Это

связано с увеличением числа зародышей аустенита и повышением скорости их роста за счет ускорения диффузии углерода и железа в ходе образования аустенита с содержанием 0,8 % С из феррита, содержащего 0,02% С, и цементита с 6,67 % С (см. рис. 3 б). Из схем рисунка.2 следует вывод: Механизм процесса Ф + Ц ⇒ А предопределяет измельчение зерна стали и нежелательную разнозернистость аустенитной структуры.

Рис 2. Схема фазовых изменений в процессе П ⇒ А при Тн > Ac1: 1 - образование зародышей кристаллов А; 2 и 3 - рост кристаллов и образование новых зародышей; 4 - конец процесса формирования аустенитной структуры.

При нагреве до Ас1, убыль энергии ∆GАС1 обеспечит процесс П => А с небольшой с.р. при минимальном ч.з., способных к росту (с размерами больше критического). Его продолжительность будет максимальной. Увеличение температуры до ТН обеспечит процесс превращения П ⇒ А при значительно больших ∆GTH, ч.з., с.р. и скоростях диффузии железа и углерода. В результате время процесса сократится. При охлаждении до Аг1 - ∆G г1 будет достаточной для осуществления процесса А → П при минимальных значениях ч.з. и с. р. кристаллов феррита и цементита. При этом его продолжительность будет самой большой.

102 103

Снижение температуры до Т1, увеличит энергетический потенциал процесса А ⇒ П до - ∆GТ1, соответственно увеличится ч.з. и с.р. фаз Ф и Ц, а скорость диффузии уменьшится.

Рис 3. Влияние температуры на изменение энергии Гиббса П и А (а), на число зародышей (ч.з.) и скорость роста (с.р.) кристаллов А (б).

В эвтектоидной стали конец процесса превращения перлита в аустенит является концом перекристаллизации во всем объеме металла. В структурах доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей при ТН < Асз, кроме аустенита, будут иметь место избыточные фазы: феррит и цементит соответственно (см. Д.С. Fe-Fe3C. рис. 4). По мере нагревания и приближения Тн к АСз объемные доли Ф и Ц в структуре этих сталей будут уменьшаться за счет растворения их атомов в аустените. При ТН > АСз структура этих сталей станет чисто аустенитной. Дальнейшее повышение Тн приведет к активизации роста зерна аустенита. Возможные механизмы роста зерна аустенита: путем "слияния" мелких зерен в крупные; путем миграции более устойчивых выпуклых границ зерен аустенита. с большим радиусом кривизны.

104

Первый механизм имеет место при Тн = 900 - 1000 °С. При этом, наряду с мелкими, образуются крупные зерна, т. е. формируется разнозернистость. Второй механизм реализуется при TH>1000°C. Следует помнить, что величина зерна аустенита, образовавшегося в процессе нагрева при термообработке стали, определяет размер получающихся из него фаз и структурных составляющих. Так как мелкозернистая структура металла предпочтительнее крупнозернистой, то в производственной практике Тн ограничивают обоснованными пределами. В связи с тем, что рост зерна аустенита - процесс диффузионный, увеличение τв способствует укрупнению его зерна, как и повышение Тн. Поэтому τв надо назначать тоже обоснованно. По склонности зерна аустенита к росту при нагреве различают два типа сталей: наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые (см. рис. 4). У первых нагрев до 950 -1000° С приводит к незначительному росту зерна аустенита. Это связано с тем, что его рост тормозят карбиды, нитриды, продукты раскисления стали и другие частицы, располагающиеся между зернами. Однако, при Тн более 950 1000° С эти частицы распадаются на атомы, которые растворяются в аустените. Это ведет к резкому увеличению скорости роста зерна. В наследственно крупнозернистых сталях таких частиц значительно меньше, поэтому укрупнение их зерна начинается уже при Тн чуть выше АС1. Величина действительного зерна аустенита зависит от Тн, τв и типа стали. Она несущественно влияет на стандартный комплекс механических свойств: σв, σ0,2,δ, ψ и твердость стали, но укрупнение зерна А не желательно, т.к. понижает ее работоспособность при ударных нагрузках, повышает температуру охрупчивания и склонность к закалочным трещинам и деформациям. 105

Образование крупного зерна А при нагреве стали - это брак, называемый перегревом. Перегрев устраняют отжигом

Рис 4. Стальной участок диаграммы Fe-Fe3C, схемы изменения структуры и графики укрупнения зерна аустенита эвтектоидной стали. 1 -наследственно мелкозернистая сталь: 2 наследственно крупнозернистая сталь; 3 - наследственное зерно при 930° С; 4 - зерно при температуре нагрева под термообработку; 5 - начальное зерно аустенита; 6 - исходное зерно перлита.

Нагрев до Тн более высоких, чем при перегреве, приводит к неисправимому браку - пережогу, т.к. при этом образуется еще более крупное зерно А с оксидами железа по его границам. При нагреве стали с исходной бейнитной или мартенситной структурой характер структурных превращений и роста зерна аустенита будет существенно отличаться от рассмотренных. 3. Превращения в стали при охлаждении с Тн> Ac3

106

Для рассмотрения протекающих при этом процессов целесообразно использовать диаграммы изотермического превращения аустенита, изображенные на рис. 68 и 70. Координаты каждой точки их основных линий показывают время начала или конца превращения аустенита, протекающего при изотермических выдержках в температурном интервале от А3 до Мн и при непрерывном охлаждении в интервале Мн - Мк- Положение основных линий в координатах температура - время, определяется химсоставом стали. Основные линии: В и Н - начало и конец выделения из аустенита избыточных фаз феррита (рис. 7,а) и цементита (рис.7,б); Н и К - начало и конец превращений аустенита в перлит, сорбит (С), тростит (Т) или в бейнит (Б); Мн и Мк - начало и конец превращения аустенита в мартенсит. Вспомогательные линии: V1кривая охлаждения при исследовании изотермического превращения аустенита при температуре ниже А1 V1 , V2, VKP, - кривые изменения температуры при непрерывном охлаждении; VKP - кривая охлаждения с минимальной скоростью, при которой в интервале температур Мн - Мк протекает бездиффузионный процесс А М. Такая скорость охлаждения называется критической. По характеру процессов превращения аустенита в образующиеся структуры на диаграмме изотермического превращения различают три температурные зоны превращения; перлитного, продукты превращения - П, С, Т; промежуточного или бейнитного, продукт - Б; - мартенситного, продукт - М. 107

Рассмотрение этих процессов обычно начинается с диаграммы изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали (рис.5). Перлитное превращение. Оно начинается при Т = Аг1 < А1,. При этом одновременно - за счет диффузии атомов железа и углерода происходит перестройка кристаллической решетки железа α ⇒ γ и распределение углерода, растворенного в аустените, между параллельно образующимися из него ферритом и цементитом.

С другой стороны - скоростями диффузии атомов железа и углерода, которые с понижением температуры Т уменьшаются. Поэтому кривые Н и К имеют перегиб при Тmin - температуре минимальной устойчивости аустенита (τmin). В интервале температур А, - Tmin ∆G нарастает интенсивно, а скорости диффузии атомов углерода и железа, хотя и снижаются, остаются еще достаточными для образования из аустенита смеси Ф + Ц = (П,С,Т).

Рис 6. Схема формирования структуры эвтектоидной стали в процессе А ⇒ П при T1 < Аг1, I - образование зародышей Ц и Ф; 2 рост кристаллов Ц и Ф; 3 и 4 - окончание формирования перлитной структуры.

Рис 5. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали.

Скорость этих процессов определяется двумя одновременно и противоположно действующими факторами. С одной стороны - разностью энергий Гиббса аустенита и перлита при температуре превращения Т1 (см. рис.3). Чем ниже температура, тем больше ∆Т1, = А1, - Т1, тем больше – ∆G1= GП - GA и меньше продолжительность процесса τ1, а скорость его 1/ τ1 -выше (см. рис.5). 108

В результате действия обоих факторов при уменьшении температуры от А1 до Тmin устойчивость аустенита (время до начала его распада) снижается до τmin. Понижение температуры превращений аустенита в интервале Тmin - Мн ведет к повышению его устойчивости изза прекращения диффузии железа и соответствующего интенсивного снижения скорости диффузии углерода. При Tmin = Мн она практически равна 0. Процесс А ⇒ П, С и Т протекает в интервале температур АI - Tmin, когда возможна диффузия атомов железа, а диффузия атомов углерода может совершаться с высокой степенью полноты. Начинается процесс с образования на границе зерна аустенита зародыша кристалла цементита размером больше, чем критический. 109

Прилегающий к нему слой аустенита обедняется на углерод, устойчивость его снижается и он превращается в феррит. Так, путем зарождения и совместного роста кристаллов цементита и феррита протекает процесс образования пластинчатой смеси Ф + Ц (см. рис. 6). В доэвтектоидной и заэвтектоидной сталях при охлаждении с равновесными скоростями избыточные фазы феррита и цементита выделяются в интервале температур А3 - AI (см. рис. 4). При изотермическом процессе превращения аустенита этих сталей выделение феррита и цементита начинается на линии В (рис.7.а и 5) при температурах значительно ниже равновесных. С увеличением ∆Т = A1 – T1 время выделения феррита τф и цементита τц и скорости диффузии атомов железа и углерода уменьшаются. Поэтому содержание углерода в аустените перед его превращением в перлит будет отличаться от равновесного тем больше, чем больше ∆T1 (в доэвтектоидных сталях содержание углерода в аустените перед началом его распада будет ниже, а в завтектоидных выше 0,8 %). Образующийся эвтектоид будет содержать углерода столько, сколько его было в неравновесном аустените. За счет этого доля эвтектоида в структуре стали будет больше, а доля избыточных фаз - меньше, чем при равновесном распаде аустенита. Продукты перлитного превращения аустенита - перлит, сорбит и троостит, представляют собой смесь феррита и цементита. Между собой эти структуры отличаются размерами частиц Ф и Ц, что и определяет неодинаковость их свойств. Перлит, сорбит и тростит могут иметь пластинчатое или зернистое строение, это зависит от Тн при аустенизации стали. Если Тн > АСЗ , Ф и Ц -пластинчатые, а если АСЗ > Тн > Ас1 то цементит будет зернистым. Мартенситное превращение - это бездиффузионное превращение, когда твердый раствор Feγ (С) перестраивается 110

в пересыщенный твердый раствор Feα (С), называемый мартенситом. Характерные признаки процесса А ⇒ М: 1) Аустенит и мартенсит имеют практически одинаковый химсостав, так как процесс протекает во время охлаждения в интервале температур Мн - Мк, когда диффузия любых атомов практически невозможна. Если охлаждение в этом интервале температур остановить, процесс А ⇒ М прекращается, и структура будет состоять из фаз А и М.

Рис 7. Диаграмма изотермического превращения аустенита доэвтектоидной стали с 0,45 % С (а) и заэвтектоидной с 1,2% С (б)

2) Перестройка решетки Feγ в Feα состоит в кооперативном одновременном смещении атомных слоев, что сопровождается образованием микроструктуры игольчатого вида и возникновением на поверхности детали микрорельефа. Последнее связано с ростом объема 111

(уменьшением плотности) металла в ходе процесса А ⇒ М и сдвиговым характером образования границ между кристаллами А и М. Положение линий Мн и Мк на диаграмме изотермического превращения зависит от содержания в стали углерода и легирующих элементов и не зависит от скорости охлаждения. В углеродистых сталях, содержащих более 0,5% С, Мк меньше 20 °С. Поэтому при закалке высокоуглеродистых и легированных сталей при охлаждении с VKP до Т > 20° С в их структуре, кроме мартенсита, будет остаточный аустенит (Аост-). Его количество можно снизить, обработав сталь "холодом", т.е. путем продолжения охлаждения до Т < Мк или путем нагрева до температуры, обеспечивающей диффузионный распад АОСТ. Обратный процесс М ⇒ А может протекать только диффузионным путем по схеме М ⇒ Ф + Ц ⇒ А. Для этого необходимо повышение температуры. Исследования показывают, что превращение А ⇒ М состоит в почти мгновенном образовании комплекса кристаллов М. Время образования одного кристалла - около 1х10-7 с, а комплекса из сотен тысяч кристаллов - порядка 110-3 с. Затем процесс останавливается. Образование новых порций мартенсита начинается лишь при дальнейшем охлаждении. Отсюда и наличие на диаграммах изотермического превращения аустенита температурного интервала Мн - Мк, в котором необходимо его непрерывное охлаждение. Свойства мартенсита связаны с содержанием в нем углерода сверх равновесного. Чем выше его пересыщенность углеродом, тем больше искаженность его решетки, тем выше твердость и выше уровень закалочных напряжений в металле. Например, в стали с 0,1 % C НRC 30, а при 0,7 % С HRC 64. Однако с увеличением содержания углерода сверх 0,8 % рост твердости стали после закалки прекращается. Это связано с 112

соответствующим увеличением в структуре доли (количества) АОСТ. При высокой пластичности прочность А значительно ниже, чем у М. Пластичность же М равна 0. Бейнитное превращение аустенита происходит в температурном интервале от немного ниже Тmin до Мн, когда диффузия атомов железа и легирующих элементов практически отсутствует, а диффузия атомов углерода еще достаточна для процесса образования смеси А ⇒ Ф + Ц. То, что бейнит является смесью феррита и цементита - признак, который роднит его с продуктами перлитного превращения аустенита. Отличие бейнита от перлита, сорбита и тростита и его "похожесть" по рисунку структуры на мартенсит, связаны с наличием в процессе А ⇒ Б этапа сдвигового механизма перестройки решетки аустенита в решетку феррита, который характерен для мартенситного превращения. Наличие в бейнитном превращении мартенситного этапа А ⇒ М ⇒ Б предопределяет образование тонких карбидных пластинок по кристаллографическим плоскостям сдвига. По таким же плоскостям ориентированы и кристаллы мартенсита. Поэтому, внешне бейнит похож на мартенсит, а по составу это смесь феррита и цементита, но более дисперсная, чем тростит. Бейнитное превращение в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях протекает при переохлаждении аустенита до Т < Тmin, когда избыточные фазы Ф или Ц из него не выделяются. Поэтому после бейнитного превращения в структуре доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей этих фаз в структурно обособленном виде не будет (см. рис. 70: точки линий В и Н совпадают). 4. Превращения при нагреве закаленной стали

В общем случае структура закаленной стали может состоять из мартенсита, остаточного аустенита и других структурных составляющих. В данном случае представляют 113

интерес мартенсит и остаточный аустенит как метастабильные фазы. Их переход в стабильные фазы феррита и цементита может протекать только путем диффузии, поэтому при низких температурах они практически не распадаются. Нагрев сталей со структурой из мартенсита и остаточного аустенита до Тн в интервале 80 - 200 °С ведет к частичному выделению углерода из мартенсита. Углерод образует очень мелкие кристаллики ε - карбида (в несколько атомных слоев), который по составу близок к Fe2C. В результате формируется структура отпущенного мартенсита (Мотп). Она состоит из смеси мартенсита с уменьшенной пересыщенностью углеродом (My) и ε - карбида, когерентно связанного с решеткой My. При Тн в интервале 200 - 300 °С Аост. превращается в MОТП-: идет процесс снижения содержания углерода в My и увеличение количества карбидной фазы. При температуре нагрева в интервале 300 - 400 °С содержание С в решетке Feα становится практически равновесным, а частицы Fe2C превращаются в Fe3C и окончательно обосабливаются от матрицы Feα Благодаря осуществлению всех процессов, протекающих в интервале температур 80 - 400 °С, формируется структура - тростит отпуска (Тотп). Он представляет собой структуру из мелких округлой формы частиц цементита, равномерно распределенных в феррите. При Тн более 400° С диффузионные процессы активизируются настолько, что цементитные образования укрупняются путем распада одних - более мелких, потому менее устойчивых, и роста других. При этом образуется более грубая, чем тростит, смесь глобулярного цементита и феррита - сорбит отпуска (Сотп.).

114

При Тн, близких к АI образуется еще более грубая смесь зернистого цементита и феррита, называемая зернистым перлитом. Образование структур отпуска с зернистым цементитом улучшает многие свойства стали. Сталь с зернистым цементитом, по сравнению со сталью с пластинчатым цементитом, имеет более высокие пределы текучести, ударной вязкости и поперечного сужения при практически одинаковых значениях твердости и предела прочности из-за различий границ между Ф и Ц по форме и суммарной площади. 5. Основные виды термической обработки стали

Отжиг - это вид термической обработки, предназначенный для устранения пороков структуры, возникших в результате предыдущей обработки металла: литья, пластической деформации, сварки и термообработки. Он состоит из нагрева до температуры выше критической, выдержки при этой температуре и медленного охлаждения. В результате получается структура с низким уровнем остаточных напряжений, относительно равномерным распределением фаз и зерен при их не самых малых размерах. В зависимости от температуры отжиг может быть: полным - при Тн - АСз + (30... 50) °С; неполным - при Тн = AC1+ (30...50) °С. Полному отжигу обычно подвергают изделия из доэвтектоидных сталей. При их нагреве и выдержке происходит полная фазовая перекристаллизация: П + Ф => А. Последующее медленное охлаждение обеспечивает распад аустенита в температурном интервале 700-650°С с образованием близкой к равновесной структуры, состоящей из зерен феррита и перлита. 115

Неполный отжиг доэвтектоидной стали обеспечит измельчение только зерна перлита. Полная перекристаллизация зерен феррита не произойдет. В результате сформируется разнозернистая структура, которая является нежелательной. Неполный отжиг рекомендуется для заэвтектоидных сталей, так как обеспечивает формирование структуры с зернистым цементитом. Полный отжиг заэвтектоидных сталей ведет к получению в них нежелательной структуры из зерен крупнопластинчатого перлита с сеткой вторичного цементита по границам. Изотермический отжиг. Такому отжигу обычно подвергают изделия из легированных сталей, так как при обычном отжиге необходимые для них результаты получаются при очень длительной выдержке. Режим изотермического отжига: нагрев до Тн = Ас3 + (30...50)° С: выдержка и сравнительно быстрое охлаждение до Т = А1 - (100... 150)°С; выдержка до окончания процесса превращения А ⇒ П; охлаждение на воздухе. Температура Тн близка к Тmin и находится в перлитном интервале изотермического превращения аустенита (рис.5 и 7). Изотермический отжиг предпочтительнее обычного, так как при распаде аустенита, с одинаковой температурой по всему сечению детали, формируются более мелкие и однородные по величине зерна. Нормализация состоит из нагрева до Ти = АСз + (30...50)°С, выдержки и последующего охлаждения на воздухе. Здесь главным требованием является измельчение зерна. Охлаждение на воздухе после полной фазовой перекристаллизации обеспечивает распад аустенита в интервале достаточно низких температур с образованием 116

дисперсной смеси феррита и цементита, характерной для сорбита и троостита с пластинчатым строением. Степень неравновесности структур после нормализации значительно выше, чем после отжига стали. Закалка состоит из нагрева до температур выше критических, выдержки и охлаждения со скоростью выше VKP. В зависимости от температуры нагрева она может быть полной или неполной. При Тн = AСЗ * (30...50)° С закалка полная. В результате нагрева и выдержки при Тн структура стали должна состоять из гомогенного аустенита, а после охлаждения - из мартенсита или из мартенсита и остаточного аустенита. Полная закалка рекомендуется для изделий из доэвтектоидной стали, и обеспечивает максимальную прочность при минимальной пластичности и высоком уровне закалочных напряжений. При Тн = ACI + (30...50)° C закалка будет неполной. Неполная закалка для доэвтектоидной стали не применяется, так как образующаяся при этом структура из мартенсита и феррита обеспечивает стали значительно меньшую прочность (твердость), чем структура из мартенсита после полной закалки. Заэвтектоидные углеродистые стали подвергают только неполной закалке, обеспечивающей получение структуры из мартенсита, цементита и остаточного аустенита. При этом доля Аост будет ниже, чем после полной закалки, а Ц обеспечит стали более высокую твердость. Отпуск закаленной стали состоит из нагрева до Тн < AС1 выдержки при Тн и охлаждения. Это окончательная термическая операция, в результате которой сталь приобретает нужные для надежной работы детали механические свойства (сочетание прочности и пластичности). Кроме того, отпуск снимает возникшие при закалке напряжения. Это происходит тем полнее, чем выше 117

Тн и ниже скорость охлаждения после выдержки. Быстрое охлаждение от 600° С создает новые тепловые напряжения. Однако изделия из легированных сталей, для предотвращения отпускной хрупкости от 500 - 650° С следует всегда охлаждать быстро. Время выдержки при Тн назначают, исходя из размера сечения детали и требуемой твердости материала после отпуска. По температуре нагрева различают три вида отпуска: Низкий отпуск. Его проводят при Тн = 150 - 200° С. В результате мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит. При этом снижаются напряжения, повышается прочность, немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости, а следовательно, и износостойкости. Однако, изделие после низкого отпуска, если в нем нет вязкой сердцевины, значительных динамических нагрузок не выдержит. Средний отпуск проводят при Тн - 350 - 500 °С. Он формирует структуру М + Тотп или Тотп твердостью HRC 40 50, Применяется для пружин, рессор и штампового инструмента, работающих в условиях динамического нагружения. Высокий отпуск проводят при Тн = 500 - 680 °С. Он формирует структуру Сотп и позволяет получить оптимальные сочетания характеристик прочности и пластичности для конструкционных сталей. Термообработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. В случаях, когда закалка и отпуск невозможны или экономически невыгодны (термообработка рельсов, проволоки и т. д.), применяется одинарная термообработка. В этом случае охлаждение производят в струе воздуха, в масле, в расплаве солей, обрызгиванием водой и т. д. При этом обеспечиваются такие скорости охлаждения, которые предупреждают выделение из аустенита свободного феррита. 118

Получается однородная сорбитная или троститная структура, определяющая повышенную твердость и прочность стали. Этот вид термообработки называют сорбитизацией или патентированием. III. Организация и методика выполнения работы. Лабораторная работа выполняется подгруппой до 12-13 студентов в течение 6-8 часов. В соответствии с числом заданий подгруппа делится на 4 звена. В каждом звене преподаватель назначает звеньевого. В обязанности звеньевого входит: получение задания и образцов; организация подготовки звена к выполнению задания, когда уясняется задание, намечается порядок его выполнения и распределяются обязанности. Особое внимание следует уделить назначению параметров режима термообработки, подготовке таблицы исходных данных и результатов выполнения задания; организация выполнения задания, обработки полученных результатов, их обсуждения, составления отчета и подготовки доклада подгруппе; организация соблюдения членами звена правил охраны труда и техники безопасности. Сначала каждое звено выполняет практическую часть своего задания и составляет краткий отчет, включающий в себя: таблицы (9, 10, 11, 12); график зависимости определяемых характеристик стали от изменяемых параметров термообработки; краткие пояснения этапов выполнения работы. Кроме указанного в заданиях, каждому звену необходимо: назначить параметры режима термообработки, согласовать с преподавателем и внести в протокол; 119

замерить твердость образцов до термообработки. Перед замером твердости две противоположные плоскости каждого образца зачистить наждачной шкуркой до металлического блеска. Если образец закален, твердость замерять на прессе Роквелла. Затем значения HRC перевести в НВ. Твердость образцов после отжига и нормализации замерять на прессе Бринелля. Загружать образцы в печь и вынимать из нее допускается при отключенном электропитании и только специальными клещами. Один студент отключает и открывает печь, а после загрузки (выгрузки) образцов закрывает и, если необходимо, включает электропитание. Второй студент работает клещами. Брать образцы руками можно лишь после того, как убедился, что металл холодный. По цвету это не определить, так как при температуре 600° С образец может выглядеть безобидно. Но, коснувшись его, можно получить травму. При загрузке - выгрузке образцов обоим студентам следует действовать слаженно и быстро, чтобы не допустить сильного охлаждения печи. При использовании жидких охлаждающих сред образец, вынув из печи, быстро погрузить в жидкость и энергично перемещать его в ней, чтобы не допустить образования паровой рубашки. В противном случае теплопередача от образца в жидкость резко снизится, и скорость охлаждения будет ниже ожидаемой, что приведет к снижению его твердости. После выяснения вопросов и уточнения отчетов, каждое звено докладывает подгруппе результаты выполненной работы. При этом доклад может быть поручен любому члену звена. Практическая часть работы считается законченной, когда у каждого студента подгруппы будут материалы по всем четырем заданиям. Затем подгруппа обсуждает полученные результаты. При подготовке к обсуждению результатов студент использует личный отчет о работе, 120

данные методические указания и рекомендованную литературу. По глубине знаний практической части работы и контрольных вопросов решается вопрос о получении студентом зачета. IV. Задание Задание 1 Определить влияние температуры нагрева на структуру и твердость стали 45 после охлаждения в воде. Изменяемый параметр режима термообработки: Тн:600, 760 и 820 °С. Неизменяемый параметр режима Vохл Vкр Используемые материалы и оборудование: четыре образца из стали 45 размером 0 35 х 20 мм (один после отжига); печи с Тн равными: 600, 760 и 820 °С: емкость с водой для охлаждения образцов при закалке; прессы Бринелля и Роквелла для замера твердости; лупа для установления размера отпечатка; таблица твердости; клещи для загрузки и выгрузки образцов: обтирочный материал и наждачная шкурка. К началу выполнения работы следует. подготовить таблицу результатов исследования термообработки (см. приложение). Задание 2. Определить влияние скорости охлаждения на структуру и твердость стали 45. Изменяемый параметр режима термообработки - Vохл • Неизменяемый параметр - Тн = 820° С. Используемые материалы и оборудование: печь с температурой нагрева 820СС: три образца из стали 45 размером: 0 35 - 20 мм; емкости с водой и минеральным маслом для охлаждения образцов. 121

Остальное - как в задании 1. Задание 3. Установить влияние содержания углерода на структуру и твердость стали после закалки. Изменяемая величина содержание углерода в стали. Неизменяемые параметры термообработки: Тн = 820 °С. Vохл (охлаждающая среда - вода). Используемые материалы и оборудование: печь с температурой нагрева 820° С; четыре образца из сталей 20. 45, У8 и У12; емкость с водой для охлаждения образцов. Остальное как в задании 1. Задание 4. Установить зависимость твердости, ударной вязкости и структуры от температуры отпуска закаленных сталей и сравнить их со свойствами после нормализации. Изменяемый параметр - температура отпуска. Неизменяемые параметры: температура закалки и нормализации Тн = 820 °С, время выдержки при Тотп 20-30 минут. Vохл при закалке (вода) и при нормализации (спокойный воздух), Vохл после отпуска (спокойный воздух). Используемые материалы и оборудование: печи с температурой нагрева 820. 200, 400 и 600 °С; копер для определения ударной вязкости; четыре образца из стали 45 для испытания на удар; один образец для нормализации; емкость с водой. Остальное - как в задании 1. V. Отчет о работе Отчет должен быть аккуратно оформлен и содержать: формулировку цели работы; краткое описание работы порядка проведения работы и процессов, протекающих в металле на отдельных этапах термообработки; 122

экспериментальные результаты в виде таблиц и графиков. Графически следует представить следующие зависимости. Задание 1: твердость после закалки НВ. МПа температура, ° С, Задание 2: твердость после закалки НВ. МП а - скорость охлаждения, °С • с-1 . Задание 3: твердость после закалки НВ, МПа содержание углерода, в процентах. Задание 4: твердость после отпуска НВ. МПа температура отпуска, °С и ударная вязкость, кДж-м-2 температура отпуска. °С. VI. Контрольные вопросы

1. Основные параметры термической обработки и их влияние на структуру и свойства стали. 2. Что такое перегрев и пережог стали? 3. Чем отличается наследственно мелкозернистая сталь от наследственно крупнозернистой? 4. От чего зависит размер действительного зерна аустенита? 5. Как объяснить повышение температур начала и конца превращения перлита в аустенит при увеличении скорости нагрева стали? 6. Чем отличаются диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной, доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей? 7. В чем сходство и различие продуктов перлитного превращения аустенита? 8. Механизм перлитного превращения аустенита. 9. Мартенситное превращение аустенита. 10. Бейнитное превращение аустенита. Почему его называют промежуточным?

123

Результаты исследования влияния вида термообработки (Vохл-) на структуру и твердость стали

τН

%С

С Сталь

%С

Охлаж дающа я среда

124

Твердость HB/HRC

до ТО

после ТО

τВ

вода

Vохл в интерва ле 6505000С/с 600

масло

150

воздух

18

Охлажда ющая среда

Тверд ость НВ, МПа

Таблица 11 Результаты исследования влияния содержания углерода на структуру и твердость стали после закалки

Таблица 9 Результаты исследования влияния температуры нагрева под закалку на структуру и твердость стали

Тнз0С

Время, мин

Структура

Тнз,0С

ТНЗ0С

Охлаж Твердость дающа НВ/HRC я среда до после ТО ТО

Структур а

125

Структура

Таблицы результатов исследования

Таблица 10

Сталь

11. Основные признаки операций отжига, нормализации и закалки. Какие структуры формируются в сталях при их осуществлении? 12. Какова цель отжига, нормализации и закалки? Как назначить Тн при их отсутствии? 13. Какие процессы протекают при низком, среднем и высоком отпуске закаленной стали и какие структуры формируются при их осуществлении? 14. В чем сходство и различие структур сорбита и тростита отпуска и сорбита-тростита, полученных при распаде аустенита? 15. Почему линии начала и конца изотермического превращения аустенита в смесь феррита и цементита имеют перегиб Тmin? 16. Какие структурные превращения реализуются в процессах основных видов термической обработки и при каких условиях? 17. Как влияет изменение % С стали на ее твердость после ее закалки в воде?

Таблица 12 Результаты исследования влияния температуры отпуска закаленной стали на НВ. KCU и структуру

Стру ктура

После отпуска KCU

Отпу ск НВ

ТНО0 С τВ мин

Охлаж дающая среда НВ, МПа

ТНЗ0 С

Сталь

Закалка, нормализация

Пояснения к кривым нагрева и охлаждения стали 45

Рис 8. Кривые равновесных процессов нагрева (а), охлаждения (б) стали 45 и диаграмма изотермического превращения ее аустенита с наложенными кривыми охлаждения при скоростях V1 V2, V3 и V4,(в).

126

Критические точки стали 45 при нагреве до 820° С: ACI 730° С - минимальная температура, при которой возможен процесс П ⇒ А; А2 = 768° С - температура потери ферромагнитности: AСЗ = 790° С - минимальная температура окончания растворения Ф в А. Процессы на температурно-временных участках кривой нагрева: 01 - распад Ц111 Fe3C ⇒ Feα + С и растворение С в феррите; 11'-П ⇒ А; 12' - растворение Ф в А; 22' - потеря ферромагнитности: 2'3 - окончание растворения Ф в А: 3 820° С – нагрев и выравнивание химического состава в А при выдержке. При нагреве до 760° С процесс 12' - растворение Ф в А, не завершается. Поэтому структуру стали составят мелкие зерна А. образовавшиеся в процессе 11' - П ⇒ А, и более крупные нерастворившиеся остатки зерен Ф. Критические точки стали 45 при охлаждении от 820° С: Аr3 = 780° С - максимальная температура начала выделения Ф из А; А2 - возврат ферромагнитноcти; Аr1 = 690° С - максимальная температура, при которой возможен процесс А ⇒ П. Процессы равновесных кривых охлаждения стали 45 от 820 и 760° С 820° С - 1 - охлаждение А; 12 - выделение Ф из А и перераспределение С между ними; 22' - возврат ферромагнитности; 2'3 - окончание выделения Ф из А в сочетании с Ф ⇒ Фр и А ⇒ As; 127

33'- Аs ⇒ Пs =Фр+Ц 3'4 - охлаждение в сочетании с Фp ⇒ ФQ + Ц111. При охлаждении с 760° С процессы начинаются этапом 760° С 3 - А ⇒ ФР + AS и заканчиваются формированием структуры из мелких перлитных и крупных ферритных зерен. Процессы при непрерывном охлаждении стали 45 от 820 и 760°С Охлаждение по кривой со скоростью V1 соответствует отжигу (точки B1 и H1 находятся в интервале температур образования П): B1H1 - выделение Ф из А; H1K1 - превращение А ⇒ П. Охлаждение с V2 соответствует нормализации (Н2 и К2 ниже равновесных); В2Н2 - А ⇒ Ф + А неравновесный; Н2К2 - неравновесный А ⇒ С. Охлаждение с V3 - В3 почти совпадает с Н3; Н3К3 - неравновесный А ⇒ Т. Охлаждение с V4 ≥ VKP; МНМК - бездиффузионное превращение А ⇒ М. Литературные данные по результатам термообработки стали 45: Отжиг: НВ ≈ 1970 МПа, σ = 18 %, KCU = 39 Дж/см2; Нормализация: НВ > 2000 МПа, σ = 16 %, KCU - 35 Дж/см2; Закалка + отпуск: 600 °С: НВ = 1900 МПа, σ - 20 %, KCU до 90 Дж/см2; 400 °С: НВ = 2200 МПа, σ - 15 %, KCU до 70 Дж/см2.

128

Лабораторная работа 8 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКАЛИВАЕМОСТИ И ПРОКАЛИВАЕМОСТИ СТАЛИ. I. Цель работы Целью настоящей работы является приобретение студентами навыков в проведении самостоятельных исследований в области термической обработки стали, закрепление теоретических знаний по данному вопросу. Исследование закаливаемости и прокаливаемости стали выполняется в течение 4 часов и включает в себя три раздела: 1. Экспериментальное определение основных причин, определяющих закаливаемость стали. 2. Ознакомление с современными методами определения глубины прокаливаемости и экспериментальное исследование основных факторов, влиявших на глубину прокаливаемости. 3. Обработка результатов исследования, оформление отчета. II. Сведения из теории. 1. Закаливаемость (краткие сведения).

и

прокаливаемость

стали

Под закаливаемостью следует понимать способность стали повышать твердость в результате закалки за счет мартенситного превращения. Высокая твердость мартенсита объясняется тем, что элементарные кристаллические ячейки его искажены за счет атомов углерода, вследствие чего пластическая деформация затруднена и образование сдвигов в мартенсите почти невозможно.

Чем больше углерода в стали, тем больше искаженность тетрагональной решетки мартенсита и больше его твердость. Чем больше углерода в стали, тем больше искаженность тетрагональной решетки мартенсита и больше его твердость. Следовательно, твердость мартенсита зависит в первую очередь от содержания в мартенсите углерода. Мартенсит в стали, содержащей 0,1% С, имеет твердость HRC 30. При 0,7% С твердость мартенсита достигает максимального значения - HRC 64 и при дальнейшем увеличении содержания углерода существенно не увеличивается. Легирующие элементы оказывают относительно небольшое влияние на увеличение твердости мартенсита. Следовательно, закаливаемость стали определяется в первую очередь содержанием в стали углерода. Чем больше в стали углерода, тем выше закаливаемость стали, т.е. тем выше ее твердость. Под прокаливаемостью понимают способность стали получать закаленный слой с мартенситной или тростомартенситной структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину. При закалке на мартенсит сталь должна охлаждаться с закалочной температуры так, чтобы аустенит, не успев претерпеть распад на ферритокарбидную смесь, переохладился ниже точки Мк. Для этого скорость охлаждения изделия должна быть критической или выше критической, т.е. выше той минимальной скорости, при которой аустенит еще не распадается на ферритокарбидную смесь (рис.1). При закалке поверхность изделия охлаждается быстрее, т.к. она непосредственно соприкасается с охлаждающей средой, отнимающей тепло. Сердцевина изделия охлаждается медленнее вследствие того, что тепло отводится путем передачи его через массу металла к поверхности и только на поверхности поглощается охлаждавшейся жидкостью

129 130

Рис 1. Схема, показывающая различную скорость охлаждения по сечению заготовки

. Если скорость охлаждения на поверхности окажется больше критической, а в центре - меньше (например: V3, рис.1), то, в этом случае, аустенит в поверхностных слоях превратится в мартенсит, а в центре - в ферритоцементитную смесь. Переходный слой между поверхностью и сердцевиной будет иметь смешанную структуру мартенсита и феррито-цементитной смеси. Следовательно, если действительная скорость охлаждения в сердцевине изделия будет превышать критическую скорость закалки VKP, (рис.1), то сталь получит мартенситную структуру по всему сечению и, тем самым, будет иметь сквозную прокаливаемость. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине будет меньше VKP, то изделие прокалится на некоторую глубину. В конструкционных сталях за глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50% мартенсита + 50% тростита). Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром (Дкр). 131

В инструментальных сталях прокаливаемость характеризуют по толщине закаленного слоя с мартенситной структурой, а за критический диаметр принимают диаметр заготовки, в центре которой после закалки образуется мартенситная структура с твердостью выше HRC60. Как отмечалось выше, твердость мартенсита и ферритоцементитной смеси при определенной дисперсности определяется, главным образом, содержанием углерода. Поэтому, твердость полумартенситного слоя может быть заранее определена, если известно содержание углерода в изучаемой стали (рис.2). Например, при содержании 0,280.32% углерода, твердость полумартенситной структуры углеродистой стали HRC 35, а легированной - HRС 40. Прокаливаемость тем выше, чем меньше критическая скорость закалки, т.е. чем выше устойчивость переохлажденного аустенита. Поэтому, вес факторы, понижающие критическую скорость закалки и увеличивающие устойчивость переохлажденного аустенита, способствуют увеличению прокаливаемости. Легированные стали, вследствие более высокой устойчивости переохлажденного аустенита и, соответственно, меньшей критической скорости охлаждения, прокаливаются на значительно большую глубину, чем углеродистые. Наибольшее влияние на прокаливаемость стали оказывают марганец, хром и малые присадки бора (0,0030,005%). Менее сильно влияют никель и кремний. Прокаливаемость особенно возрастает при одновременном введении в сталь нескольких легирующих элементов. Прокаливаемость стали повышается только в том случае, если легирующие элементы растворены в аустените. В случае, если они не растворены в аустените и находятся в виде избыточных частиц карбидов, они не только не увеличивают прокаливаемость, а уменьшают ее, т.к. карбиды 132

служат готовыми зародышами, облегчающими аустенита на феррито-цементитную смесь.

распад

Рис 2. Твердость стали при содержании 50% мартенсита и 50% троостита в зависимости от содержания углерода. 1 - сталь легированная; 2 - сталь углеродистая

На прокаливаемость стали оказывает влияние размер зерна аустенита. Чем меньше аустенитное зерно, тем меньше глубина прокаленного слоя. Увеличение размера зерна замедляет процесс превращения переохлажденного аустенита в перлит, т.к. центры кристаллизации образуются преимущественно по границам зерен, а с увеличением размера зерна уменьшается суммарная протяженность границ, что ведет к уменьшению числа центров. Поэтому, повышение температуры нагрева под закалку и увеличение времени выдержки приводит к увеличению зерна аустенита и увеличению прокаливаемости. Введение примесей, препятствующих росту зерна аустенита, приводит к увеличению критической скорости закалки и уменьшению прокаливаемости. Однако следует отметить, что увеличение прокаливаемости за счет роста зерна при нагреве производить не рекомендуется, т.к. при закалке с высокой температуры возникает опасность 133

появления закалочных трещин, и ухудшаются некоторые механические свойства стали. Неоднородность химического состава аустенита, т.е. неравномерное распределение в нем углерода и легирующих элементов, приводит к уменьшению глубины прокаленного слоя стали, т.к. неоднородный аустенит быстрее превращается в перлит. Известное влияние на прокаливаемость оказывает размер изделия, охлаждающая способность закалочной среды, технология плавки. При закалке с нагревом до обычно принятых температур, не вызывающих заметного роста зерна, углеродистые стали прокаливаются полностью в деталях (образцах) сечением 10-15 мм (при условии охлаждения в воде), тогда как легированные стали, в зависимости от химического состава, могут прокаливаться в сечениях 50-100 и даже 200 - 300 мм (при охлаждении в масле). Стали с высоким содержанием легирующих элементов могут получать высокую твердость по сечению даже при более медленном охлаждении, например, на воздухе. Углеродистые стали в больших сечениях, даже при охлаждении в воде не обеспечивают прокаливаемости. Поверхностные слои, равно как и сердцевина, имеют феррито-цементитную структуру. Твердость поверхности и сердцевины тем ниже, чем больше сечение заготовки (детали). При сквозной закалке свойства закаленной стали от поверхности к центру однородны. При несквозной закалке свойства закаленной стали изменяются по сечению так же, как изменяется ее структура. Максимальная твердость, например, достигается в поверхностных слоях, минимальная - в сердцевине. При несквозной прокаливаемости последующим отпуском можно выровнять твердость по сечению детали. 134

Однако при этом другие свойства стали окажутся неравноценными. У слабопрокаливающихся сталей после отпуска при высокой температуре, выравнивается твердость по сечению, на поверхности, где закалкой был получен мартенсит, будут зернистые структуры, а в центре, где после закалки был получен перлит (феррито-цементитная смесь различной дисперсности), сохранится пластинчатая структура. У стали со сквозной прокаливаемостью после отпуска по всему сечению будут зернистые структуры. Следовательно, различие в свойствах будет определяться разными свойствами зернистых и пластинчатых структур. Свойства, не зависящие от формы цементита, предел прочности на разрыв, относительное удлинение окажутся примерно одинаковыми после отпуска на одинаковую твердость по сечению у слабо закаливающихся и глубоко закаливающихся сталей. Свойства, зависящие от формы цементита (предел пропорциональности, текучести, ударная вязкость), окажутся существенно различными. Более высокие значения предела текучести, пропорциональности, ударной вязкости обеспечиваются зернистыми структурами, более низкие - пластинчатыми. Следовательно, у стали с несквозной прокаливаемостью в сердцевине будет наблюдаться заметное снижение σт, КС; у стали со сквозной прокаливаемостью свойства будут одинаковыми по всему сечению. Таким образом, для получения одинаковых и высоких механических свойств в закаленном и отпущенном состоянии по всему сечению во многих случаях необходимо обеспечить в процессе закалки сквозную прокаливаемость. 2. Методы определения прокаливаемости. Проба на излом

135

Одним из простейших методов определения прокаливаемости, который применим для сталей с неглубокой прокаливаемостью (например, простых углеродистых сталей), является проба на излом. Пруток квадратного сечения 20x20 мм, закаленный в воде, ломается пополам, и по виду излома делается заключение о глубине закаленного слоя. Критерием для оценки глубины закаленного слоя является глубина мелкозернистой закаленной зоны. Если исходный образец будет иметь ступенчатую форму, то в этом случае проба на излом показывает, как меняется величина закаленного слоя в зависимости от сечения образца. Пробная закалка Образцы квадратного или круглого сечения различных размеров по площади поперечного сечения, изготовленные из одной и той же плавки, нагреваются до температуры закалки, выдерживаются расчетное время и охлаждаются в заданной среде. Из сердцевины закаленного образца вырезается темплет (диск). Плоскость разреза шлифуется и на ней через 1 - 2 мм по сечению измеряется твердость образца. По полученным данным строят кривые в координатах "расстояние от центра твердость" аналогично кривым (рис.3). Ввиду сложности, трудоемкости и длительности этого способа, особенно в случае прутков крупного сечения, он неудобен для массового производственного контроля Метод торцевой закалки (ГОСТ 5657-69) Универсальным, простым, и вместе с тем, надежным способом определения прокаливаемости является метод торцевой закалки. В этом случае не требуется исследовать большое количество образцов различных размеров, закаливать их в нескольких средах.

136

торцом на графитную карбюризатор.

.

а

б Расстояние от центра образца, мм

или угольную пластинку

или

Рис 4. Форма образца для определения прокаливаемости способом торцовой закалки

Рис 3. Распределение твердости по сечению закаленного цилиндрического образца; а - образец диаметром 20 мм; б - образец диаметром 35 мм

На стандартном образце определяется глубина прокаливаемости в изделиях, практически любого сечения из стали данной марки при любой скорости их охлаждения. Метод торцевой закалки применяется для массового контроля углеродистых и легированных сталей, кроме сталей мартенситного класса, т.е. сталей, закаливающихся на мартенсит при охлаждении на воздухе. Прокаливаемость определяется на образцах диаметром 25 мм и длиной 100 мм (рис. 4). Образец имеет с одной стороны заплечик или кольцевую насадку, позволяющую подвешивать его в вертикальном положении при закалке. С целью предотвращения обезуглероживания поверхности и образования окалины нагрев образцов производят в ванне с расплавленной солью или в контрольной атмосфере. Если нагрев осуществляется в печи без контролируемой атмосферы, то образцы помещают в стальной цилиндрический колпак, в котором он опирается нижним 137

Рис. 5. Схема установки для определения прокаливаемости методом торцевой закалки

Температура нагрева образцов под закалку выбирается по справочным данным, в зависимости от марки стали. Выдержка при выбранной температуре составляет 20-30 мин. После выдержки образцы охлаждают в специальной установке, расположенной на таком расстоянии от печи, чтобы время от начала переноса образца в установку и до начала охлаждения затрачивалось не более 5 секунд. 138

Принципиальная схема охлаждения образца в установке показана на рисунке 5. В этих условиях скорость охлаждения торца соответствует скорости охлаждения поверхностного слоя образца в воде, а охлаждение верхнего торца - скорости охлаждения на воздухе. Остальные участки поверхности образца между торцами, т.е. по его длине, охлаждаются с промежуточной скоростью. Давление воды регулируется таким образом, чтобы высота свободной струи была 65 мм. Расстояние от сопла до охлаждаемого торца образца должно составлять 12,5 мм. Причем, струя должна касаться только торца образца. Образец выдерживают под водяной струёй до полного охлаждения. Для измерения твердости по длине закаленного образца сошлифовывают слой толщиной 0,5 мм. Твердость измеряют по обеим шлифованным плоскостям, и для каждой пары точек, находящихся на одинаковом расстоянии от торца, принимают среднее арифметическое значение. Результаты измерений выражают графически в координатах: твердость расстояние от охлаждаемого торца, т.е. по результатам измерений строится кривая прокаливаемости. Для характеристики прокаливаемости стали одной марки ее определяют для нескольких плавок и в этом случае строят полосу прокаливаемости (рис. 6).

Число прокаливаемости определяется величиной 1 с где 1-расстояние от охлаждаемого торца до точки, имеющей твердость слоя с полумартенситной структурой; с - значение этой твердости HRC. Зная число, можно определить диаметр сечения изделия (критический диаметр, ДКР), изготовленного из исследуемой марки стали, которое будет прокаливаться насквозь. С этой целью используется специальная номограмма М.Е. Блантера (рис.7). В ее верхней части даны две шкалы I и 2, характеризующие расстояние от охлаждаемого торца образца. При охлаждении наибольшего диаметра (Дкр) или детали, прокаливающейся полностью по сечению с образованием мартенситной структуры, используют шкалу 1, а для определения наибольшего диаметра для полумартенситной зоны - шкалу 2. В нижней части номограммы даны три шкалы с различным соотношением длины детали к ее диаметру или толщине, по которым находится размер критического сечения изделий различной формы, прокаливающихся насквозь при охлаждении в указанных средах. При использовании номограммы на шкале 1 или соответственно шкале 2 находят расстояние от торца до конца мартенситной или полу мартенситной зоны, найденное экспериментально для данной стали, например, 1 = 5 мм на шкале 2. Из этой точки опускают перпендикуляр до пересечения с линией на номограмме, указывающей идеальное охлаждение. Из этой точки проводят горизонтальную линию влево до пересечения с линией номограммы, соответствующей нужной среде охлаждения(вода,масло,воздух

Расстояние от охлаждаемого торца, мм Рис.6 . Полоса прокаливаемости стали 40Х

139

140

Расстояние от закаливаемого торца до полумартенситной

формы с соотношением L/a=1 критический диаметр ДКР или критическая толщина "а" при охлаждении в воде равна 32 мм, в масле - 19,5 мм, на воздухе - 1,85 мм. Цилиндрическая деталь L/Д = 0,1 или брусок L/a = 0,1. Охлаждение в воде 132 х 13,2 мм, в масле - 78 х 7,8 мм, на воздухе - 7,5 х 0,75 мм и т.д. По номограмме можно определить скорость охлаждения сердцевины изделия путем продолжения горизонтали от прямой "Идеальное охлаждение" до левой вертикальной оси "Скорость охлаждения". В пашем примере при 1=5 мм скорость охлаждения в сердцевине равна 55 град/с. По номограмме можно также определить так называемый "идеальный критический диаметр", т.е. максимальный размер сечения изделия, которое прокаливается насквозь в идеальном охладителе, где охлаждение с поверхности происходит с бесконечно большей скоростью. Понятие "идеальный критический диаметр" вводится для характеристики прокаливаемости стали вне зависимости от способа охлаждения и геометрии изделий. В нашем примере, "идеальный критический диаметр" Д - 32 мм.

Идеальный критический диаметр, мм

III Методика работы. По определению закаливаемости: 1. Подготовить образцы из сталей марки: сталь 30 и сталь У8. 2. Определить с помощью микроскопа структуру исследуемых сталей. 3. Руководствуясь диаграммой, железо-цементит и справочными данными (табл. 1), определить оптимальную температуру под закалку для каждой стали. Установить продолжительность нагрева и среду охлаждения при закалке. 4. Замерить твердость по Бринеллю образцов в исходном

зоны,

Рис 7. Номограмма для расчета прокаливаемости (по М.Е.Блантеру).

Затем из точки "а" или "б" (в зависимости от охлаждающей среды) опускают перпендикуляр на шкалу "размер, мм”. В точке пересечения читается ответ наибольший диаметр (толщина) образца, прокаливающегося полностью в выбранной закалочной жидкости. В нашем примере при 1=5 мм для детали кубической и шаровидной 141

142

состоянии и провести термическую обработку (закалку) по установленному режиму. 5. После закалки зачистить торцы образцов, определить твердость. По определению прокаливаемости стали: 1. Подготовить образцы из сталей 45 и 40Х2Н2МА для определения глубины прокаливаемости методом торцевой закалки. 2. Для исследуемых сталей определить твердость полумартенситной зоны (рис. 2), оптимальную температуру нагрева под закалку, время нагрева и выдержки при заданной температуре. 3. Провести испытание на прокаливаемость (нагрев и охлаждение опытных образцов в закалочном приспособлении до полного охлаждения). 4. По двум диаметрально противоположным образующим образца снять на глубину 0,2-0,5 мм слой металла и замерить твердость по Роквеллу. Измерение твердости начать от торца. Промежутки измерения: 1-2,5 мм. Заканчивать процесс измерения после того, как твердость достигнет полумартенситной зоны. 5. Используя номограмму (рис. 6), определить значения идеального критического диаметра, скорость охлаждения сердцевины изделий, размеры деталей, прокаливающихся насквозь в зависимости от их геометрии и охлаждающей среды. IV. Оборудование и материалы Для выполнения работы одной группой необходимо иметь: 4 печи с термоэлектрическими пирометрами, твердомеры ТК И ТШ, кузнечные клещи, бак с водой, установку для торцевой закалки, две лупы для замера лунки, переводную таблицу твердости, 3 образца для определения закаливаемости и 2 образца для определения прокаливаемости из сталей: 10, 30, У8, 45, 40 Х2Н2МА. 143

V. Обработка результатов При обработке экспериментальных данных и оформления отчета необходимо следующее: 1. Занести в отчет химический состав исследуемых сталей (табл. 2). 2. Описать и зарисовать структуру исследуемых сталей в равновесном (отожженном) состоянии (протокол испытаний № 1). 3. Результаты определения закаливаемости занести в протокол испытаний № 2. 4. По полученным результатам измерения твердости до и после термической обработки построить графики изменения твердости в зависимости от содержания углерода в стали (рис. 7). 5. Результаты определения занести в протокол испытаний №3. 6. По полученным результатам распределения твердости по длине образца от охлаждаемого торца (протокол №4) построить кривые прокаливаемости в координатах "твердость-расстояние от охлаждаемого торца" (рис. 8). Таблица 1. Температурное положение критических точек для исследуемых сталей

Марка стали

10 30 45

Температурное положение критических точек Аr3 AC3 Ar АС1 725 690 860 725 690 820 725 690 775 144

У8 40Х2Н2МА

730 760

300

730 810

410

45 У8 40Х2Н2МА Таблица 2.

Химический состав исследуемых сталей

Марка стали 10

Химический состав, % C Mn Si Cr 0,07- 0,350,170.15 0,14 0,65 0,37 30 0,27 0,50-//-//0,26 0,80 //-// 45 0,42- 0,4-0,8 -//-//-//-//0,49 //-// //-// У8 0,75- 0,200,150,15 0,84 0.40 0,35 40Х2Н2МА 0,37- 0,500,171,450,44 0,80 0,37 1,65

S

Протокол испытаний № 2 Влияние содержания углерода в стали на ее закаливаемость

P

0,04

0,04

-//-////-// -//-////-// 0,30

-//-////-// -//-////-// 030

Марка стали

Режим термической обработки Темпера тура нагре ва, 0С

Время нагрева и

Среда охлаж дения

выдержки, мин

10 30

-//-////-//

-//-////-//

У8

Примечание: в стали 40Х2Н2МА содержится: Ni-1,75-1,90%. Mo0,15-0,25%. Протокол испытаний № 1 Структура исследуемых сталей в равновесном состоянии Марка стали

Структура стали в равновесном состоянии

Схематическое изображение микроструктуры в равновесном состоянии

10 30

145

146

Твердость, HRC В исход ном состоя нии

НВ,

После закалки

Значение идеального диаметра

Скорость охлаждения сердцевины,0С/с

Критический диаметр, мм

Раст. до полумартенсит. зоны

Твердость полумартенситной зоны, HRC

Время нагрева и выдержки, мин

Температура нагрева 0 С

Марка стали

Протокол испытаний № 3 Определение прокаливаемости стали методом торцевой закалки

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

Содержание углерода, % Рис 7. Изменение твердости стали в зависимости от содержания углерода

45 40Х2 Н2М А Протокол испытаний № 4 Распределение твердости по длине образца от охлаждаемого торца

Сталь 45 Расстояние Твердость от HRC охлаждаемог о торца, мм

Сталь 40Х2Н2МА Расстояние от Твердость охлаждаемого HRC торца, мм

0

10

20

40

50

Расстояние от охлаждаемого торца, мм Рис 8. Кривая прокаливаемости.

1-сталь 45 2-сталь 40Х2Н2МА

147

148

60

VI. Контрольные вопросы 1. Что такое прокаливаемость стали и какие факторы на нее влияют? 2. Какие стали подвергаются закалке? 3. Какие характеристики служат для определения закаливаемости и прокаливаемости стали? 4 В каких случаях необходима большая прокаливаемость стали? 5. Методы определения прокаливаемости стали. 6. При закалке в воде образцов небольшого сечения из сталей 20 и У8 была получена структура мартенсита. Какая должна быть твердость этих образцов и почему? 7. Что нужно предпринять, если требуется изготовить высококачественную, сложную деталь, обладающую высокими качествами по всему сечению? 8. Что такое критический диаметр?

149

Лабораторная работа 9 ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Под теплостойкостью (красностойкостью) понимают способность стали сохранять высокую твердость при нагреве до 600° С и выше, которая создастся легированием стали карбидообразующими элементами (W, Мо, V, Сг) в таком количестве, при котором они связывают почти

I. Цель работы Целью настоящей работы является приобретение студентами навыков в проведении самостоятельных исследований в области термической обработки инструментальных сталей, закрепление знаний по данному вопросу. Проводимые исследования предусматривают изучение структуры и свойств быстрорежущих сталей как наиболее типичных для большой группы материалов, применяемых для режущего, штампового и измерительного инструмента, с параллельным сравнением с углеродистыми сталями аналогичного назначения. II. Сведения из теории. Инструментальные углеродистые и легированные стали в зависимости от назначения подразделяются на стали для режущего, мерительного и штампового инструмента. 1. Cтали и сплавы для режущего инструмента. Режущие инструменты (резцы, фрезы, сверла и т.д.) изготавливаются из углеродистых, легированных, быстрорежущих и металлокерамических твердых сплавов. Эти стали должны иметь: высокую твердость и износостойкость режущей кромки при достаточно вязкой сердцевине; высокую теплостойкость для инструмента, работающего с большими скоростями резания.

150

весь углерод в специальных карбидах типа М6С и МС (W6C, Мо6С, VC);

малую деформацию при закалке (что особенно важно при изготовлении инструмента сложной конфигурации); хорошие технологические свойства (должны хорошо обрабатываться резанием в отожженном состоянии, не иметь склонности к обезуглероживанию при нагреве, хорошо свариваться и шлифоваться и т.д.) В углеродистых и низколегированных инструментальных сталях содержится от 0,7 до 1,5 % углерода и легирующих элементов (Cr, Si, W, V, Mn) в сумме от 1 до 5 %. Структура этих сталей до термической обработки - зернистый перлит. Термическая обработка их состоит в закалке и последующем низком отпуске при 150170°С. Теплостойкость этих сталей не превышает 200° С. Охлаждение при закалке углеродистых сталей проводят в воде или водных растворах щелочи, соли, а легированных сталей - в масле. Для уменьшения деформации инструмента из углеродистых и малолегированных сталей рекомендуется применять для них закалку в двух средах или ступенчатую. Твердость поверхности инструмента при содержании углерода в стали более 0,8 % будет равна HRC 60-64. По своим режущим свойствам низколегированные инструментальные стали мало отличаются от углеродистых сталей с таким же содержанием углерода. Основное назначение легирующих элементов в этих сталях - увеличить прокаливаемость стали и уменьшить чувствительность стали к перегреву при закалке. Повышенная прокаливаемость стали 151

позволяет закаливать инструмент в масле или производить ступенчатую закалку. Меньшая скорость охлаждения при закалке уменьшает опасность образования трещин; деформаций и короблений. Поэтому из этих сталей рекомендуется изготавливать инструменты больших размеров и сложной конфигурации. Марки некоторых углеродистых и низколегированных инструментальных сталей и их свойства приведены в таблице.1.

процента; следующие буквы и цифры показывают наличие и количество легирующих элементов. В обозначениях этих марок, как правило, не указывается: содержание хрома, которое для всех марок быстрорежущих сталей равно 3,8-4,0 %; количество ванадия, которое во всех марках быстрорежущих сталей с 18 % W равно 1-1,4 %, а в сталях с 9 % W - 2,0-2,6 %; содержание углерода, которое тем больше, чем больше ванадия в стали, и колеблется от 0,7 до 1,55 %. Таблица 2. Марки быстрорежущих сталей и их свойства

Таблица 1 Марки углеродистых и низколегированных

Марка стали

инструментальных сталей и их свойства

Марка стали

Твердость после закалки и отпуска, HRC 56-58 60-62 60-62 62-64 62-64 62-65 62-65 61-65

У7А У8А У10А У12А 12Х 9ХС ХВГ ХВ5

Р18 Р6М5 Р18Ф2 Р14Ф2 Р9К10 Р10К5Ф5 Р9М4К8 Р12ФЗ Р8МЗК6С ВЗМ12К23

Твердость после термообработки, HRC 63-65 63-65 64-66 64-66 64-66 64-67 66-68 64-68 65-67 65-67

Теплостойкость, ° С 625 620 640 640 640 635 650 650 640 720

Быстрорежущие стали обладают высокой теплостойкостью, а, следовательно, сохраняют высокую твердость и режущие свойства при нагреве до 625-655° С.

Для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания, применяются быстрорежущие стали (табл. 2). В этих сталях буква Р указывает, что сталь быстрорежущая (рапид); цифра, стоящая за буквой, показывает наличие вольфрама в целых числах

2. Стали для измерительного инструмента Стали для измерительного инструмента должны обладать высокой твердостью, износоустойчивостью и сохранять свои размеры в течение длительного времени. Для этих целей применяются высокоуглеродистые, легированные

152

153

хромом и марганцем стали марок X и ХГ. Термическая обработка этих сталей состоит из закалки и последующего низкого отпуска (140-1700С). В некоторых случаях для стабилизации размеров инструмент после закалки подвергается обработке холодом и затем искусственному старению (длительному отпуску) при температуре 120- 1400 С в течение 12-60 ч. Структура стали после термической обработки состоит из мелкоигольчатого мартенсита, вторичных карбидов и остаточного аустенита (стабильного). Твердость составляет HRC 62-64. 3. Стали для штампового инструмента Стали для штампового инструмента в зависимости от температурных условий работы инструмента (штампов, пуансонов, матриц и пневматических зубил, роликов и т.д.) подразделяются на штамповые стали холодного и горячего деформирования. Штамповые стали для холодного деформирования должны обладать высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и достаточно высокой ударной вязкостью. Твердость в зависимости от условий эксплуатация выбирают в широких пределах (HRC 54-64). Выбор вязкости и прокаливаемости, а также термической обработки определяется условиями работы, размерами и формой штампов. Штампы для холодного деформирования металлов находятся в эксплуатации в сложном напряженном состоянии. Для изготовления пневматического инструмента, пуансонов высадки, испытывающих в работе ударные нагрузки, применяют доэвтектоидные стали типа 6ХС, 6ХВ2С. Высокая вязкость достигается низким содержанием в них углерода и более высоким отпуском (240-270 °С) после закалки. Нередко применяет углеродистые стали У10А,

154

У12А. Перечисленные стали превосходят по вязкости сталь 6ХЗФС. Штампы сложной формы, особенно для вырубки, изготавливают из стали 7ХГ2ВМ. Износостойкость штампов, работающих в условиях повышенного износа (вырубные, вытяжные и др.), определяется твердостью мартенсита, количеством и типом карбидной фазы. Эти стали содержат 0,7-1,5 % С. В результате закалки они приобретают твердость HRC 58-65, сохраняемую при отпуске. Высокой износостойкостью обладают широко применяемые стали Х12Ф1 и XI2M, которые при закалке в масле мало деформируются, что важно для штампов сложной формы. Закаливаются на первичную (1000-1030° С и отпуск 160-150 °С на твердость HRC 60-63), и на вторичную твердость с более высоких температур (1100-1170 °С). После закалки на вторичную твердость в структуре стали содержится до 60-80 % аустенита и твердость составляет HRC 42-54. После многократного отпуска при 500-540° С аустенит превращается в мартенсит, и твердость возрастает до HRC 56-60. Такая обработка предпочтительнее для небольших штампов. Более высокой износостойкостью обладают стали Х6Ф4ММ (ЭП770) и Х12ФМ (ДИ51), применяемые для вырубок, вытяжки и прессования. Но они хуже шлифуются. Широкую область применения имеют штампы, испытывающие повышенные удельные давления в сочетании с динамическими нагрузками (пуансоны выдавливания и высадки, прессования порошков высокой плотности, накатные инструменты, пневматические зубила в др.). Основные свойства, которые должны иметь стали этого назначения, - высокое сопротивление пластической деформации при высокой прочности, удовлетворительной вязкости и повышенная теплостойкость, т.к. в процессе деформации штампы разогреваются до 300-400 °С. В 155

настоящее время в промышленности используются по этим причинам в основном стали Х12М, Х6ВФ и быстрорежущие стали. Высокими свойствами обладают штамповые стали 6Х4М2ФС, 8Х4В2С2МФ (табл. 3). Штамповые стали для горячего деформирования должны обладать высокой жаропрочностью, теплостойкостью, термостойкостью, высокой ударной вязкостью и т.д. Необходимый комплекс эксплуатационных свойств этих сталей обеспечивается легированием карбидообразующими элементами (Cr, W, Мо, V) при содержании углерода 0,3-0,5 %. Необходимо различать следующие штамповые стали (табл. 4): Таблица 3.

1. Умеренной теплостойкости и повышенной разгаростойкости: они легируются хромом и небольшими добавками вольфрама и молибдена. 2. Повышенной теплостойкости: в них основными легирующими элементами являются молибден и вольфрам при 2-6 % хрома. 3. Высокой теплостойкости. Эти стали при 2-3 % хрома содержат 3-8% вольфрама. Стали первой группы сохраняют твердость не ниже HRC 45 после нагрева до 600-620°С, тогда как стали второй группы сохраняют ее до 650-670° С, а стали высокой теплостойкости - до 700-750°С.

Химический состав штамповых сталей холодного деформирования

Марка стали

С

Х6ВФ Х12 Х12ВМ Х12М Х12Ф1 7ХГ2ВМ Х6Ф4М Х12Ф4М

1,1 2,1 2,1 1,6 1,4 0,7 1,2 1,2

Таблица 4. Химический состав штамповых сталей горячего деформирования

Si

Содержание элементов, % Мп Сг W V Мо

Ni

0,25 0,25 0,3 0,25 0,25 0,3 0,3 0,3

0,3 0,3 0.3 0,3 0,3 2,1 0,3 0,3

-

6 12 12 12 12 1,6 6 12

156

1,4 0,9 0,9 -

0,7 0,25 0,25 0,9 0,2 4 4

_ 0,5 0,8 1 1

Ма рка стали 5ХНМ 5ХНВ 5ХНВС 5ХГМ 4ХМФС 4ХМНФ С 5Х2МНФ 4Х5МФС

С

Si

Содержание элементов, % Mn Cr W V Mo Ni

0,5 0,5 0,5 0,5 0,4 0,4

0,25 0,25 0,8 0,4 0,7 0,7

0,6 0,6 0,4 1,3 0,7 0,7

0,6 0,6 1,5 0,7 1,7 1,7

0,6 0,6 -

0,4 0,4

0,3 0,3 1,1 1,1

1,6 1,6 1,1 1,2

-

0,5 0,35

0,7 1,2

0,7 0,25

2 5

-

0,4 0,4

1,1 1,4

1,2 -

-

157

Co

-

-

4Х5В2Ф С 4Х4ВМФ С 4Х3МВФ 3Х3М3Ф 5Х3В3М ФС 4Х2В2М ФС 4Х2В5М Ф 3Х2В8Ф 2Х8В8М 2К8

0,35

1,2

0,25

5

2

0,8

-

-

-

0,35

0,8

0,3

4

1

0,9

1,4

-

-

0,35 0,3 0,48

0,8 0,3 0,7

0,5 0,4 0,3

3 3 2,8

0,8 3,3

0,7 0,5 1,6

0,5 3 0,9

-

-

0,48

0,45

0,45

2,25

2,1

0,7

0,9

-

-

0,35

0,25

0,27

2,65

5

0,75

0,75

-

-

0,35 0,2

0,27 0,3

0,27 0,3

2,45 8

8 8

0,35 0,1

2

-

8

Стали первой группы, чаще всего, используют для молотовых штампов, крупных прессовых штампов, контейнеров и блоков матриц для горизонтально-ковочных машин. Основными сталями этой группы являются стали марок 5ХНМ и 5ХНВ. При штамповке поковок из жаропрочных и нержавеющих сталей необходимо применять стали марок 4ХМФС (штампы сечением до 350 мм) и 5Х2МНФ (штампы сечением до 500 мм), которые благодаря повышенной теплостойкости и износостойкости обеспечивают увеличение стойкости в 2-3 раза по сравнению с 5ХНМ. Стали повышенной теплостойкости и вязкости представлены наибольшим количеством марок. Широкое применение нашли стали 4Х5МФС, 4Х5В2ФС и 4Х5МФ1С в качестве молотовых вставок диаметром до 200 мм и инструментов для кривошипных горячештамповочных прессов усилием до 40000 кН, для горизонтально-ковочных машин усилием до 10000 кН (вставки, пуансоны) и горизонтальных прессов усилием до 20000 158

кН (внутренние втулки, пресс-штемпели, иглы для прошивки труб) при деформировании конструкционных углеродистых и легированных сталей и цветных сплавов. Стойкость инструментов из этих сталей в 1,5-2,5 раза выше, чем из сталей 5ХНМ (5ХНВ). Эти же стали широко применяют также для изготовления пресс-форм литья под давлением алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов. Для деформирования нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов используются стали 4ХЗВМФ, 4Х4ВМФС (ДИ-22). Стали третьей группы (5ХЗВЗМФС, 4Х2В5МФ, ЗХ2В5МФ и др.) отличаются повышенным содержанием вольфрама (или вольфрама и молибдена). Эта особенность состава определяет их высокую теплостойкость (700-750° С), однако она же является причиной понижения ударной вязкости (0,15-0,2 Дж/м2), особенно в заготовках диаметром более 120-150 мм. Рациональными областями применения сталей высокой теплостойкости являются тяжело нагруженные инструменты сечением 100-159 мм (матрицы, пуансоны, выталкиватели, вставные знаки и т.п.) горячего объемного деформирования легированных конструкционных сталей и жаропрочных сплавов. Сталь 2Х6В8М2К8 (ЭП745) используют для небольших пуансонов (диаметром до 5070мм) и матриц для горячего деформирования жаропрочных сплавов. Стойкость таких инструментов в 3-5 раз выше, чем из стали ЗХ2В8Ф. Теплостойкость стали зависит от количества карбидообразующих легирующих элементов, таких, как вольфрам, хром, ванадий, растворенных в мартенсите. Она достигается не только введением достаточного количества этих элементов в сталь, но и правильной технологией термической обработки. Для получения высоколегированного мартенсита, обладающего высокой теплостойкостью, сталь под закалку нагревают до высоких температур (1260-1280° С). Высокая 159

температура нагрева нужда для того, чтобы перевести в твердый раствор (аустенит) возможно большее количество труднорастворимых вторичных карбидов, т.е. получить, прежде всего, высокоуглеродистый и высоколегированный аустенит. Если закаливать эти стали с более низких температур, то полученный мартенсит будет недостаточно легированным, и его теплостойкость и твердость будут ниже. Ввиду плохой теплопроводности стали для избегания получения трещин нагрев под закалку необходимо производить медленно. Практически нагрев ведут с одним двумя подогревами. Критическая скорость закалки этих сталей невелика, а поэтому охлаждение при закалке можно производить в струе воздуха (мелкого инструмента) или в масле, для уменьшения закалочных деформаций рекомендуется ступенчатая закалка. Точка конца мартенситных превращений у быстрорежущих сталей лежит в области отрицательных температур, а поэтому после закалки у них остается повышенное количество аустенита (от 20 до 40 %). Микроструктура закаленной быстрорежущей стали состоит из мартенсита закалки, остаточного аустенита и первичных карбидов. Твердость быстрорежущих сталей после закалки составляет HRC 61-64. Остаточный аустенит понижает режущие свойства инструмента. В процессе резания инструмент разогревается до температуры 500-600°С. Объемы аустенита ввиду плохой их теплопроводности будут концентрировать тепло перегреваться до 700°С и выше и, таким образом, отпускать мартенсит, находящийся в соприкосновении с ним, что приводит к снижению твердости. Для устранения остаточного аустенита инструмент после закалки может быть обработан по двум основным режимам. Первый режим. Закалка с последующим трехкратным 160

отпуском при 560 °С. При отпуске во время выдержки мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска, из остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды, что ведет к обеднению аустенита углеродом и легирующими элементами. При последующем охлаждении со скоростью больше критической, остаточный аустенит, переохлаждаясь до мартенситной температуры, превращается в мартенсит. Происходит как бы вторичная закалка. Этот метод очень трудоемкий и малопроизводительный (рис.1,а). Второй режим. Закалка с последующей обработкой холодом при температуре ниже Мк (-80 °С) и однократным или двукратным отпуском при 560° С (рис.1,б). При охлаждении от комнатной температуры до точки Мк дополнительно образуется около 10-15 % мартенсита закалки. Микроструктура стали после окончательной термической обработки состоит из мартенсита отпуска и первичных карбидов.

а

б

Рис. 1. График термической обработки быстрорежущей стали.

Задание 1. Определить влияние термической обработки на свойства инструментальных сталей: а) подготовить образцы из быстрорежущей стали и углеродистой стали (для исследования берутся образцы из быстрорежущих сталей нормальной и 161

повышенной теплостойкости, а также для сравнения образцы из углеродистой и инструментальной стали); б) провести замер исходной твердости (на пяти образцах из каждой партии); в) произвести закалку исследуемых сталей, предварительно определить температуру нагрева под закалку и время выдержки в зависимости от сечения образца, среду охлаждения; г) произвести замер твердости на образцах после закалки, предварительно очистив их от окалины. 2. Определить влияние температуры отпуска на механические свойства: а) произвести отпуск закаленных образцов при температурах 180, 350, 500,580, 650° С; б) произвести замер твердости отпущенной стали (на образцах из быстрорежущей стали производить замер твердости три раза после выдержек по 50 мин). 3. Определить зависимость теплостойкости от степени легирования стали: а) образцы, получившие максимальную твердость после отпуска, заложить в печь с температурой 650° С и выдержать в течение 2 ч. б) произвести замер твердости образцов после 2часовой выдержки при 650 °С.

г) замерить твердость после отпуска; д) произвести выдержку (2 часа) образцов при 650° С; е) замерить твердость после выдержки при 650° С; ж) сравнить данные с полученными ранее (пункт 3,1). 5. Изучить микроструктуру исследуемых сталей (литой, отожженной, после термообработки). По результатам таблицы 6 построить график в координатах "твердость-температура отпуска" для каждой из исследуемых сталей. График выполняется на одном рисунке для максимальной твердости. IV. Обработка результатов и оформление отчета

На основании теоретических выкладок дать объяснение полученным результатам с оформлением в отчете после каждого полученного результата. В отчете должен быть приведен химический состав исследуемых сталей, а результаты исследования сведены в таблицы. В отчете также привести описание и рисунки изучаемых микроструктур и их влияние на механические свойства стали. Каждая таблица в отчете сопровождается аргументированными выводами.

4. Определить зависимость теплостойкости от температуры закалки: а) произвести закалку на 20-30° С с более высоких, против принятых ранее (пункт 1,в), температур; б) замерить твердость после закалки; в) произвести 3-кратный отпуск при температуре 580600° С (по 50 мин); 162

163

Таблица 5 Таблица 7 Влияние степени легированности на теплостойкость отпущенных сталей

Влияние закалки на твердость сталей

Твердость, HRC

Сталь

В исходном состоянии

Сталь

В закаленном состоянии

Твердость, HRC Максимальная твердость После выдержки при после отпуска 650 °С

1 2

1

и

2

т.д. Таблица 6 Влияние температуры отпуска на твердость стали

Таблица 8 Влияние температуры закалки на теплостойкость стали

Твердость, HRC

Сталь Сталь

Твердость, HRC, после отпуска при... °С после закалк и

180

350

500

580

После закалки

600

После отпуска После выдержки на при 650 °С максимальную твердость 1 2 1 2

1 2 3

1 2

Примечание: I - закалка с нормальных температур, 2 - закалка с повышенных температур.

3

164

165

V. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Классы инструментальных сталей в зависимости от теплостойкости. 2. Что такое теплостойкость? 3. Влияние различных факторов на теплостойкость инструментальных сталей. 4. Превращения, происходящие при закалке и отпуске быстрорежущих и углеродистых инструментальных сталей. 5. Структура быстрорежущих и углеродистых сталей в литом, кованом, после отжига, после закалки и отпуска состояниях. 6. Свойства сталей в различном состоянии (литом, кованом, отожженном, после закалки, закалки и отпуска). 7. Что такое карбидная неоднородность? 8. Влияние карбидной неоднородности на свойства инструментальных сталей. 9. Влияние химических свойств на технологические свойства инструментальных сталей (ковкость, шлифуемость, обрабатываемость резанием и т.д.). 10. Какова связь между механическими свойствами, теплостойкостью и повышением производительности труда?

166

Лабораторная работа 10 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЦЕМЕНТАЦИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ I. Цель работы

При выполнении настоящей работы необходимо: а) углубить знания по основам химико-термической обработки б) экспериментально установить влияние температуры и времени цементации на глубину цементованного слоя; изучить структуру цементованного слоя; изучить изменение твердости сердцевины и поверхностного слоя непосредственно после цементации и цементации с последующей закалкой. II. Сведения из теории.

Химико-термической обработкой (ХТО) называют процесс, сочетающий поверхностное насыщение тем или иным элементом при высокой температуре с упрочняющей термической обработкой, в результате которых происходит изменение химического состава, микроструктуры и физикохимических свойств поверхностного слоя металла или сплава. Химико-термическая обработка осуществляется путем диффузионного насыщения металла или сплава неметаллами (С, N, В и др.) или металлами (Al, Cr, Zn и др.) при определенной температуре и активной насыщающей среде. Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, задиростойкость, кавитационную и коррозионную стойкость и создает на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, повышая тем самым усталостную прочность, надежность и долговечность 167

деталей машин. Наиболее широко используются процессы цементации (науглероживания), нитроцементации и азотирования. В меньшей степени применяется поверхностное насыщение бором, кремнием и металлами. Примером могут служить цементованные и азотированные шестерни, валы, втулки автомобилей, тракторов, станков, сельскохозяйственных и других машин. Большинство деталей машин работает в условиях износа, циклических нагрузок, коррозии при криогенных и высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжений. В отличие от поверхностной закалки при ХТО разница в свойствах достигается не только изменением структуры металла, но и его химического состава. ХТО не зависит от формы деталей. Она обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины по всей поверхности. ХТО дает более существенное различие в свойствах поверхности и сердцевины деталей. Насыщение поверхностного слоя происходит при нагреве детали до определенной температуры в среде, легко выделяющей насыщающий элемент в активном состоянии, и выдержке при этой температуре. Среды, выделяющие насыщающий элемент, могут быть газообразными, жидкими и твердыми. Различают следующие основные методы насыщения, применяемые при ХТО: 1. Насыщение из порошковых смесей (порошковый метод). Благодаря простоте технологического процесса нашел применение в мелкосерийном и серийном производстве для цементации, алитирования (алюминирования), хромирования, борирования и т.д. 2. Прямоточный и циркуляционный методы диффузионного насыщения из газовых сред. 168

Прямоточный газовый метод заключается в нагреве изделий в герметичных печах, куда постоянно подается насыщающий газ. Отработанный газ выходит из печи через специальное отверстие и, как правило, сжигается. Метод позволяет регулировать активность насыщающей атмосферы (потенциал атмосферы), широко применяется в крупносерийном и серийном производстве для цементации, нитроцементации и азотирования. Газовый метод обеспечивает высокое качество диффузионного слоя и поверхности обрабатываемого изделия. Циркуляционный, метод отличается повторным использованием насыщающего газа при систематическом его восстановлении и находит все более широкое применение при насыщении металлами и кремнием. 3. Диффузионное насыщение из расплавов металлов или солей, содержащих диффундирующий элемент (с электролизом или без применения электролиза). Жидкий метод позволяет сократить длительность технологического процесса, однако не всегда обеспечивает высокое качество поверхности и стабильность толщины диффузионного слоя. Применяется в серийном производстве. 4. Насыщение из паст и суспензий. Эти методы не всегда обеспечивают получение равномерной толщины покрытия и поэтому в настоящее время не нашли достаточно широкого распространения. Однако насыщение из паст может быть рекомендовано для местного упрочнения поверхности и при обработке крупногабаритных деталей и инструмента (например, для упрочнения рабочей поверхности (фигуры) штампов горячего деформирования металлов), т.к. другими методами ХТО этого достичь просто невозможно. 5. Диффузионное насыщение в вакууме. Насыщение осуществляется испарением диффундирующего элемента при высоких температурах в 169

вакууме. Испарившиеся атомы металла в вакууме перемещаются на значительные расстояния и осаждаются на поверхности, встречающиеся на их пути. При испарении в вакууме атомы насыщающего элемента перемещаются прямолинейно до столкновения с молекулами остаточного газа. Чем глубже вакуум, тем больше длина свободного пробега атомов и выше скорость осаждения металла на обрабатываемую поверхность. Выбор способа насыщения зависит от вида производства, габаритов обрабатываемого изделия, требуемой толщины слоя и т.д. Химико-термическая обработка протекает многостадийно. Основными стадиями любого ХТО являются: 1. ДИССОЦИАЦИЯ - на этой стадии массопереноса следует различать два процесса: образование активных атомов в насыщающей среде в результате разложения исходных веществ: 2СО↔С02 + С; 2NH3 ↔3H2+2N и т.д. и диффузию их к поверхности обрабатываемого металла. Степень распада молекул газа (в %) называется степенью диссоциации. 2. АДСОРБЦИЯ (хемосорбция) - реакции на границе фаз - захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Атомы металла, находящиеся на поверхности, имеют направленные наружу свободные связи. При подаче к поверхности детали атомов насыщающего элемента эти свободные связи вступают в силу, что уменьшает поверхностную энергию металла. С повышением температуры адсорбционная способность металла увеличивается. Развитию процесса адсорбции помогает способность диффундирующего элемента образовывать с основным металлом твердые растворы. 3. ДИФФУЗИЯ - проникновение адсорбированных атомов в глубь металла. По мере накопления атомов 170

диффундирующего элемента на поверхности насыщения возникает диффузионный поток от поверхности в глубь обрабатываемого металла (сплава). Процесс возможен только при условии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом металле и достаточно высокой температуре, обеспечивающей необходимую скорость диффузии. Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа неодинакова и зависит от состава и строения образующихся фаз: диффузия протекает быстрее при образовании твердых растворов внедрения (при насыщении углеродом или азотом, размеры атомов которых малы), чем твердых растворов замещения. Поэтому при диффузионной металлизации процесс ведут при более высоких температурах, длительно и, несмотря на это, получают меньшую толщину слоя, чем при насыщении азотом и углеродом. Поверхностный слой детали, отличающийся от исходного материала по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем с не изменившимся химическим составом называется сердцевиной. Толщина диффузионного слоя зависит от температуры и продолжительности насыщения, а также от концентрации диффундирующего элемента на поверхности (рис. 1). С течением времени скорость увеличения толщины слоя непрерывно уменьшается (рис. 1, а). Толщина диффузионного слоя при прочих равных условиях тем больше, чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла (рис. 1, в). Концентрация диффундирующего элемента на поверхности обрабатываемой детали зависит от скорости притока атомов этого элемента к поверхности, скорости диффузионных процессов, приводящих к переходу атомов в глубь металла, состава и структуры образующихся фаз. 171

Повышение температуры увеличивает скорость процесса диффузии. Поэтому толщина диффузионного слоя, образующегося за данный отрезок времени, сильно возрастает с повышением температуры процесса (рис. 1, б). Известно несколько механизмов диффузии, четыре из которых основные. Циклический (обменный) механизм. При реализации этого механизма (рис. 2) несколько атомов (три или более), расположенные примерно по кругу, согласованно движутся так, что все кольцо из атомов поворачивается на одно межатомное расстояние. Частным случаем циклического механизма является обменный механизм, при котором осуществляется прямой обмен местами двух соседних атомов. Эти механизмы маловероятны в кристаллах с плотноупакованной структурой атомов, т.к. вызывают сильное искажение решетки в местах перехода атомов. Краудионный механизм. Краудион - группа атомов, сжатая за счет наличия в ряду одного или нескольких лишних атомов, (crowd скопление). В этом случае в более или менее плотноупакованном ряде атомов появляется лишний атом. Каждый атом этого ряда вплоть до отстоящих примерно на 10 межатомных расстояний от лишнего атома смещен на некоторое расстояние от равновесного положения в решетке. Краудионная конфигурация атомов может перемещаться вдоль этого ряда. Искажение распространяется вдоль линии, и энергия смещения атомов невелика.

172

при образовании твердых растворов замещения. Многие процессы ХТО (алитирование, хромирование, силипирование и т.д.) обусловлены, диффузией таких элементов, как алюминий, хром, кремний и др., образующих с железом твердые растворы замещения. Эти элементы диффундируют в железе по вакансионному механизму. В промышленности наиболее часто применяют процессы ХТО, основанные на диффузии в железо неметаллов С, N, В. Эти элементы, имеющие малый атомный радиус, образуют с железом твердые растворы внедрения.

Рис 1. Зависимость толщины диффузионного слоя: а - от продолжительности насыщения; б - от температуры; в - концентрации диффундирующего элемента

Межузельный механизм. В этом случае атом перемещается внутри кристалла, перескакивая из одного междоузлия в другое (рис. 2). Миграция по междоузлиям возможна лишь в случае диффузии малых примесей атомов, образующих твердые растворы внедрения и при скачке сравнительно мало смещающих атомы растворителя из их узлов в решетке. Вакансионный механизм. В любой кристаллической решетке, особенно при повышенных температурах, имеются вакансии. Вакансии открывают путь для легкого осуществления процесса диффузии за счет обмена атома с вакансией (рис. 2). Вакансионный механизм реализуется, при самодиффузии и

173

Рис 2. Схема различных механизмов диффузии в металлах: 1 - циклический; 2 - обменный; 3 - вакансионный; 4 - межузельный; 5 – краудионный

Диффузия углерода, азота и бора протекает по межузельному механизму диффузии за счет обмена атома с вакансией (рис. 2). Вакансионный механизм реализуется при самодиффузии, и для совершения элементарного акта диффузии атом должен преодолеть энергетический барьер. Схемы элементарного акта диффузии по межузельному и вакансионному механизмам и потенциальная энергия кристалла в зависимости от расположения 174

диффундирующего атома показаны на рисунках 3 и 4. Максимальное значение энергии кристалла достигается в точке С (рис. 3). Увеличение энергии Ет при перемещении атома из одного междоузлия в соседнее вызвано появлением упругих напряжений, образующихся при "протаскивании" мигрирующего атома в узком пространстве между атомами растворителя. При переходе от положения а в положение в атом 1 должен "протиснуться" между атомами 2 и 3 (рис. 4). В промежуточном положении б атомы 2 и 3 раздвинуты, и в этом месте решетка обладает значительной упругой энергией. Поэтому промежуточному положению б соответствует более высокий уровень энергии, чем а и в. Передвижению атома препятствуют также другие атомы, которые находятся в соседних атомных плоскостях выше и ниже показанной на рисунке 4. Средняя тепловая энергия атомов Еα значительно меньше Еm. Энергию, необходимую для преодоления барьера Еm при переходе атома из одного положения в решетке в другое, принято называть ЭНЕРГИЕЙ АКТИВАЦИИ и обозначать буквой Q. Для того чтобы диффузия стала возможной, нужна флуктуация энергии. Избыточная энергия приобретается атомом от его соседей благодаря тому, что атомы непрерывно обмениваются кинетической энергией. В металле всегда найдется некоторое число атомов, обладающих повышенной или пониженной энергией (независимо от средних значений кинетической энергии атомов). Отдельные атомы, обладающие Е > Q, могут преодолеть энергетический барьер и совершить скачок из одного положения равновесия в другое. Вероятность перескока атомов из одного положения равновесия в другое fm определяется частотой появления 175

флуктуаций, превышающих Q.

Рис 3. Схема элементарного акта диффузии по межузельному механизму и потенциальная энергия кристалла в зависимости от расположения диффундирующего атома.

Время, в течение которого атом имеет энергию, необходимую для преодоления барьера, пропорционально ехр(- Q/RT). Атом с одинаковой вероятностью может перейти в любое из равноценных соседних мест Z в ближайшей координационной сфере (Z - координационное число). При этом общая частота прыжков за счет флуктуации энергии в расчете на один атом будет равна: (1) fm = с ⋅ z ⋅ γ exp(-Q/RT), 12 где γ - частота колебания атомов (~10 Гц); с коэффициент пропорциональности, близкий к единице. Из уравнения (I) видно, что величина fm экспоненциально зависит от температуры. С увеличением температуры колебания частиц в узлах решетки усиливаются, все большая их часть получает энергию, превышающую среднюю энергию теплового движения и достаточную для того, чтобы они могли покинуть свое место в решетке и перейти в новое 176

положение. Так, например, при комнатной температуре атом углерода, диффундирующий в решетке железа по междоузлиям, совершает один прыжок за 25 с, а при 1545° С – 2·1011 прыжков за секунду.

Рис 4. Схема элементарного акта диффузии по вакансионному механизму

На образование вакансии необходимо затратить энергию Q'. Энергия активации Q в этом случае складывается из энергии активации миграции Q" и энергии образования вакансии Q' (Q = Q' + Q"), а вероятность перескоков имеет вид: f=c⋅z⋅yexp(-Q'/RT)exp(-Q"/RT) (2) Поэтому энергия при диффузии по вакансионному механизму выше, чем по межузельному, а диффузионная 177

подвижность атомов меньше. В твердых растворах вычитания диффузионное перемещение также протекает с меньшей затратой энергии, чем в твердых растворах замещения, т.к. в них имеются готовые вакансии в избыточном количестве. Диффузия в поликристаллических металлах протекает значительно интенсивнее, чем в монокристаллах. Это связано с тем, что диффузия является структурно-зависящим процессом и в значительной степени определяется наличием дефектов кристаллического строения металлов. Все структурные дефекты, вакансии, границы зерен и субграницы, внешняя поверхность, дислокации и т.д. оказывают влияние на диффузионную подвижность атомов. При ХТО реализуется как объемная диффузия (в объеме каждого зерна), которая дает основной вклад в диффузионный поток, так и диффузия по границам зерен. Диффузия по границам зерен происходит с гораздо большей скоростью, чем в объеме зерна. Это объясняется тем, что высокоугловые границы, независимо от их физической модели, содержат повышенную концентрацию вакансий и нарушений периодичности расположения атомов, что увеличивает вероятность атомных переходов и уменьшает энергию активации диффузии. Цементация стали. Цементацией называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя деталей углеродом. Цель цементации - получение на поверхности детали высокой твердости и износостойкости в сочетании с вязкой сердцевиной, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8 -1,0 % и последующей закалкой и низким отпуском. Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали, содержащие 0,1-0,18 % углерода. Для крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2-0,3 %). Выбор таких 178

сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщенная углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки. На цементацию поступают механически обработанные детали с припуском на шлифование 0,05-0,10 мм. В случае необходимости упрочнения только части детали, участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (0,02-0,04мм), которую наносят электролитическим способом, или изолируют специальными защитными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле или другом связующем. Иногда применяют сплошную цементацию с последующим удалением части цементованного слоя механической обработкой, проводимой до закалки. Цементация в твердой среде и цементация в газовой среде - это основные два вида цементации. Среда, поставляющая углерод к поверхности детали, подвергаемой цементации, называется КАРБЮРИЗАТОРОМ. Цементация в твердом карбюризаторе производится в специальных стальных ящиках, в которых детали укладываются попеременно с карбюризатором. Ящики закрываются крышками и замазываются огнеупорной глиной для предотвращения утечки газов. В качестве твердого карбюризатора используют дубовый или березовый древесный уголь и активизаторы ВаСО3 и Na2CO3 или СаСО3. Диффузия углерода в сталь возможна только, если углерод находится в атомарном состоянии, получаемом, например, диссоциацией газов, содержащих углерод (СО, СН4 и др.). При цементации в твердом карбюризаторе активные атомы образуются в результате прохождения реакций: 2 С +О2 → 2СО, ВаСО3+С → ВаО + 2 СО, 2 СО → СО2 + С Атомарный углерод адсорбируется поверхностью стали 179

и диффундирует в глубь металла. Энергия активации диффузии углерода в γ-железе достигает 17-20, а в α-железе 31-32 ккал/(ч-атом). Однако цементацию при температурах ниже точки AI не ведут вследствие малой растворимости углерода в α-железе. Цементацию, как правило, проводят при температурах выше точки Ас3, обычно около 920-950° С, когда аустенит, растворяющий в больших количествах углерод, устойчив. При цементации стали атомы углерода диффундируют в решетку γ-железа. По достижении, предела насыщения аустенита углеродом, определяемого линией SE на диаграмме Fe - Fe3C (рис. 5, а), на поверхности может образоваться сплошной слой цементита. В реальных условиях цементации образование на поверхности слоя цементита наблюдается крайне редко. Обычно при температуре цементации (выше точки Ас3) диффузионный слой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения - из продуктов его распада - феррита и цементита. После цементации характерно неравномерное распределение углерода по сечению детали. Наружный слой содержит более 0,8 % углерода и имеет структуру заэвтектоидной стали - перлит и вторичный цементит, (рис. 5, б). Глубже лежит слой эвтектоидного состава с перлитной структурой, а далее - слой с феррито-перлитной структурой. За техническую глубину цементированного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной зоны (рис. 5). В процессе цементации в твердом карбюризаторе при температуре 910-930° С за 5,5 - 6,5 часа образуется слой толщиной 0,7-0,9 мм, а за 9-11 часов - 1,2-1,5 мм на углеродистой стали 20. Предельное содержание углерода на поверхности, определяемое линией SE, тем больше, чем выше температура насыщения. С повышением температуры увеличивается толщина слоя за данный отрезок времени. 180

Легирующие элементы неодинаково коэффициент диффузии и концентрацию поверхностном слое.

а

влияют на углерода в

б Рис. 5. Изменение содержания углерода и твердости (после закалки) по глубине цементованного слоя

Поэтому влияние их на глубину диффузионного слоя зависит от того, какой из этих двух факторов будет превалировать Хром и вольфрам уменьшают коэффициент диффузии углерода в аустените, т.к. повышают энергию активации, но, увеличивая концентрацию углерода на поверхности, несколько повышают толщину цементированного слоя. Никель, наоборот, увеличивает коэффициент диффузии, но уменьшает концентрацию углерода на поверхности и поэтому уменьшает толщину слоя. После цементации обязательно проводят термообработку. При цементации из-за длительной 181

выдержки при высоких температурах стали приобретают крупнозернистость, и это необходимо учитывать при назначении термической обработки. Целью термообработки является упрочнение поверхности с одновременным измельчением зерна и получением вязкой сердцевины. В зависимости от назначения детали применяют различные варианты термической обработки (рис. 6). Менее ответственные детали подвергают закалке непосредственно с цементационного нагрева с последующим низким отпуском (рис. 6, а). Крупное зерно аустенита, выросшее в результате длительной цементации, дает крупноигольчатый мартенсит отпуска в поверхностном слое и крупнозернистую феррито-перлитную структуру в сердцевине детали. Эти недостатки в некоторой степени устраняются при использовании наследственно мелкозернистой стали, при сокращении времени пребывания стали при высокой температуре за счет применения, например, газовой цементации. Использование подстуживания при закалке до 750 - 800° С снижает внутренние напряжения, а обработка холодом уменьшает количество остаточного аустенита в цементированном слое. При более высоких требованиях к структуре детали после цементации подвергают охлаждению на воздухе, закалке с нагрева выше Ас3 и низкому отпуску (рис. 6, б). При этом в сердцевине и на поверхности детали происходит перекристаллизация и измельчение зерна. Однако в поверхностном высокоуглеродистом слое происходит некоторый перегрев, приводящий к повышению остаточного аустенита и снижению твердости поверхности, т.к. оптимальный закалочный нагрев заэвтектоидных сталей - это нагрев выше Ac1, но ниже Аст. Особо ответственные детали после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском (рис. 6, в). При первой закалке с температуры на 30-50° С выше Ас3 182

происходит перекристаллизация сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, обеспечивающего мелкозернистость продуктов распада. Одновременно при этом цементитная сетка в поверхностном слое растворяется. При нагреве под вторую закалку мартенсит, полученный после первой закалки, претерпевает отпуск, и при этом образуются глобулярные карбиды, увеличивающие твердость поверхностного заэвтектоидного слоя. При второй закалке, с температуры выше Ac1 на 30-50° С обеспечивает мелкое зерно в поверхностном слое. После такой термообработки поверхностный заэвтектоидный слой будет иметь структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины определяется химическим составом стали. При цементации углеродистой стали из-за низкой прокаливаемости сердцевина имеет феррито-перлитную структуру. III. Методика и порядок выполнения работы

Исследование влияния цементации на структуру и свойства углеродистой стали проводят на цилиндрических образцах диаметром 10 - 15 мм из стали 20, 45, 5ХНМ. При цементации твердым карбюризатором образцы помещают в ящик, заполненный древесным углем в зернах 3,5-10 мм, к которым добавляют активизаторы ВаСОз, и СаСОз. Рабочая смесь состоит из 20 - 25 % свежего карбюризатора, (20-25 % ВаСОз, 3,5 % СаСОз, древесный уголь - остальное) и 75 - 80 % отработанного. Содержание ВаСОз, в такой смеси 5 - 7 %, что обеспечивает требуемую толщину слоя и исключает образование грубой цементитной сетки на поверхности. Предварительно очищенные образцы укладывают на слой карбюризатора толщиной 20-30 мм, выдерживая расстояние между образцами и до боковых стенок ящика 10-15 мм. Затем засыпают и слегка уплотняют слой карбюризатора толщиной 183

Рис. 6. Режимы термической обработки после цементации стали

184

V. Отчет о работе

Цель работы. 1. Краткие сведения из теории. 2. Краткое описание порядка проведения работы и процессов, протекающих на отдельных этапах ТО и ХТО. 3. Экспериментальные результаты в виде таблицы:

185

поверхность

Определить твердость образцов из сталей 20, 45, 5ХНМ до проведения цементации: загрузить образцы в ящик с карбюризатором; закрыть ящик крышкой и обмазать кромки глиной; загрузить ящик в печь; выдержать при температуре 910-930° С 4-5 часов; извлечь ящик из печи; охладить на воздухе до 400° С;

после закалки поверхность

до закалки

Содержание работы

HRC,

HRC,

НВ

НВ

HRC,

186

HRC,

Толщина слоя, мм

Твердость после цементации

сердцевина

Твердость до ХТО, НВ

Материал

IV.

вскрыть ящик и извлечь образцы; охладить образцы до комнатной температуры; произвести замеры твердости сердцевины и поверхности, предварительно удалив слой 1,5 мм с торца образцов; провести закалку образцов (Тзак ~ 850 °С, тв - 20мин, вода, для стали 5ХНМ - масло); очистить образцы и замерить твердость на приборе Роквелла; изготовить шлифы образцов; протравить шлифы 4%-м раствором HNO3 в спирте; измерить толщину цементованного слоя с помощью микроскопа МИМ-7.

сердцевина

10-15 мм, на него укладывают другой ряд образцов и т.д. Последний (верхний) ряд образцов засыпают слоем карбюризатора толщиной 35-40 мм с тем, чтобы компенсировать возможную его усадку. Ящик накрывают крышкой, кромки которой обмазывают огнеупорной глиной. После этого ящик помещают в печь, нагревают до температуры цементации (910-930 °С) и выдерживают при этой температуре 4-6 часов. После цементации ящик охлаждают на воздухе до 400-500° С и раскрывают. Образцы охлаждают до комнатной температуры в воде. Нагрев ящика и образцов при последующей закалке проводят в муфельных печах МП-2У. Твердость измеряют на приборах Роквелла и Бринелля. Структуру стали изучают на микроскопе МИМ-7 при увеличении 100-500 раз. Перед цементацией определяют твердость на приборе Бринелля, после цементации и последующей закалки - на приборе Роквелла. Перед выполнением работы необходимо тщательно изучить инструкцию, по технике безопасности работы в термической лаборатории. Работа с печами осуществляется только в присутствии лаборанта и преподавателя. Настоящая лабораторная работа проводится после изучения работы "Исследование влияния термической обработки на свойства углеродистой стали".

VI. Контрольные вопросы

1. Что такое химико-термическая обработка? 2. Преимущества химико-термической обработки (ХТО) перед термической обработкой (ТО). 3. Назовите основные стадии ХТО. 4. Чем определяется скорость насыщения? 5. Как влияет температура на скорость адсорбции? 6. Чем завершается третья стадия ХТО? 7. Что такое энергия активации диффузии? 8. Назовите возможные механизмы диффузии. 9. В каких случаях реализуется междоузельный механизм диффузии? 10. Какой из механизмов диффузии является наиболее вероятным? 11. .В чем суть вакансионного механизма диффузии? 12. Назовите основные методы насыщения, применяемые при ХТО. основные преимущества технологии 13. Каковы насыщения из паст? 14. Назначение цементации. 15. Какие стали применяются для цементации? 16. Перечислите основные среды для цементации. 17. Для чего необходима термическая обработка после цементации? 18. Какие режимы термической обработки применяют после цементации 19. Что принимают за толщину цементированного слоя? 20. Какова структура и толщина цементированного слоя? 21. Какие свойства приобретают стали после цементации? 22. Назовите параметры (температура, время) цементации.

187

Лабораторная работа 11 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХОЛОДНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РЕКРИСТАЛИЗАЦИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ

Цель работы - исследовать влияние холодной пластической деформации на структуру и твердость углеродистой стали, а также влияние температуры нагрева на структуру и твердость холоднодеформированной стали. Различают упругую и пластическую деформацию. Упругая деформация - это деформация, исчезающая после снятия нагрузки. Под действием приложенной нагрузки происходит незначительное смещение атомов или поворот блоков кристалла. После снятия нагрузки атомы возвращаются в исходное положение. Деформация исчезает, форма и размеры тела восстанавливаются. Пластическая деформация - это деформация, остающаяся после снятия нагрузки. При пластической деформации происходит искажение кристаллической решетки, дробление зерен, увеличение плотности дислокации. Одновременно происходят поворот и скольжение новых зерен в положение, благоприятное для деформирования, и они вытягиваются в направлении интенсивного течения металла, образуется кристаллографическая текстура (рис. 1). Таким образом, в процессе холодной пластической деформации изменяется структура стали, а, следовательно, и свойства: прочность, твердость, электросопротивление, коэрцитивная сила повышаются, а пластичность, электропроводность, теплопроводность, магнитная проницаемость уменьшается (рис. 2). 188

Рис.1. Структура стали а – до деформации; б - после холодной пластической деформации

КС, 105

Рис. 2. Графики влияния холодной пластической I деформации на механические свойства низкоуглеродистой стали

189

Изменение структуры и свойств стали при холодной пластической деформации называется наклепом или нагартовкой. Деформированный металл по сравнению с недеформированным имеет повышенный запас энергии и находится в неравновесном, термодинамически неустойчивом состоянии, так как часть энергии, затраченной на пластическую деформацию, остается в металле. В таком металле даже при комнатной температуре могут самопроизвольно протекать промессы, приводящие его в более устойчивое состояние. При нагреве скорость этих процессов возрастает. Небольшой нагрев (0,2-0,3) Тпл. ведет к снятию напряжения кристаллической решетки, но микроструктура остается без видимых изменений, хотя плотность дефектов несколько уменьшается. Такое частичное восстановление свойств (снижение упрочнения на 20-30%) называется возвратом или отдыхом. При нагреве до более высокой температуры подвижность атомов возрастает и при достижении определенной температуры на границах зерен, т.е. на участках с повышенной плотностью дислокации и наиболее искаженной кристаллической решеткой зарождаются и начинают расти новые равновесные зерна (рис. 3.) Явления, связанные с восстановлением равновесной структуры и физико-механических свойств пластически деформированного металла, называется рекристаллизацией. Рекристаллизация процесс диффузионный. Различают две стадии рекристаллизации: первичная рекристаллизация и собирательная рекристаллизация. Образование новых равноосных зерен взамен ориентированной волокнистой структуры деформированного металла, называется первичной рекристаллизацией.

190

На этой стадии рекристаллизации наклеп практически полностью снимается, и свойства приближаются к исходным значениям. Разупрочнение объясняется снятием искажения решетки и резким уменьшением плотности дислокаций с 1010 -1012 см2 до 106-108 см2. Наименьшая температура, при которой начинается процесс рекристаллизации, называется температурным порогом рекристаллизации (Тп.р.). Температура начала рекристаллизации зависит от природы металла, наличия примесей и легирующих элементов, а также степени пластической деформации. При высокой степени деформации порог рекристаллизации составляет: для технически чистых металлов – 0,4 Тпл; для твердых растворов – (0,5–0,7) Тпл. Для полного снятия наклепа металл нагревают до температуры на 150-2000 С выше, чем Тп.р., чтобы обеспечить высокую скорость рекристаллизации и полноту ее протекания. Такая обработка называется рекристаллизационным отжигом. После завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева происходит рост одних рекристаллизованных зерен за счет других. Такой рост зерен называют собирательной рекристаллизацией. Основной причиной собирательной рекристаллизации является стремление системы к уменьшению зернограничной поверхностной энергии благодаря уменьшению границ при росте зерна. Размер зерна после рекристаллизации оказывает большое влияние на свойства металла. Наилучшее сочетание прочности и пластичности наблюдается в мелкозернистых сталях. Величина зерна после рекристаллизации зависит от состава сплава, величины пластической деформации, температуры 191

рекристаллизационного

отжига

и

продолжительности

процесса отжига. Тп.р.) и горячую (Тобр.> Тп.р.). При холодной пластической деформации материал упрочняется, процесс идет с наклепом. При горячей пластической деформации материал уплотняется (завариваются поры, газовые пузыри, раковины. Упрочнения металла не происходит, наклеп не наблюдается. Оборудование и приборы, учебно-наглядные пособия и ТСО

Рис. 3. Влияние нагрева на структуру и механические свойства стали

При очень малой деформации нагрев не вызывает рекристаллизации. При деформации 3–15% величина зерна после рекристаллизационного отжига резко возрастает и может во много раз превысить размер исходного зерна. Такую степень деформации называют критической – это минимальная степени деформации, выше которой при нагреве становится возможным протекание процесса первичной рекристаллизации. Поэтому для металла, подвергающегося рекристаллизационному отжигу в процессе производства деталей, следует избегать пластических деформаций ниже критической. В процессе производства деталей путем пластического деформирования (различные виды обработки давлением) различают холодную пластическую деформацию (Тобр.< 192

В работе используются: образцы из низкоуглеродистой стали (сталь 10, сталь15, сталь 20, ∅ 10-15 мм ; Н =15 мм) - 8 шт.; муфельные печи - 4 шт.; твердомер Роквелла - 2 шт.; металлографические микроскопы - 4 шт.; штангенциркуль - 2 шт.; коллекция микрошлифов исследуемой стали - 1 комплект; фотографии микроструктур – альбом; кинофрагмент "Рекристаллизация металлов" - 2 части. Методика исследований

Образцы из низкоуглеродистой стали предварительно подвергаются холодной пластической деформации (осадка) на различную величину – ε = 25; ε = 50; ε = 75% (по усмотрению преподавателя величина деформации может быть изменена). Деформацию проводят на пневматическом молоте или прессе. Пластически деформированные образцы со степенью ε = 75% нагревают до температур 400-700° С в муфельных печах, выдерживаются при заданной температуре 15-20 мин. и охлаждаются на воздухе. Твердость измеряется в 193

исходном состоянии, после каждой степени деформации и после каждого варианта нагрева. Изучается микроструктура стали до пластической деформации, после холодной пластической деформации с различной степенью и после рекристаллизационного отжига.

4. Провести рекристаллизационный отжиг образцов с ε = 75% при следующих температурах: 400, 500, 600, 700°С в течение 15-20 мин и охладить на воздухе. 5. Зачистить образцы и измерить твердость на приборе Роквелла и результаты занести в таблице 2. Таблица 2

Порядок выполнения работы

1.Определить высоту образца при заданных значениях относительной степени пластической деформации (табл. 1) по формуле: ε = Н0 – Н1/Н0 *100%, где ε - пластическая деформация, %; Н0 - высота образца до деформации, мм; Н1- высота образца после деформации, мм. 2.Измерить твердость образцов на приборе Роквелла (шарик ∅ 1,58 мм или алмазный конус). Результаты измерений занести в таблицу 1. Таблица 1 № образцов

Высота образца

1 2 3 4

ε, %

Твердость HRC (HRB)

25 50 75

3. По данным таблицы 1 построить график влияния степени пластической деформации на твердость стали. 194

№ образцов 1 2 3 4

Температура отжига, 0С 400 500 600 700

Твердость HRC (HRB)

6. По данным таблицы 2 построить график влияния температуры отжига на твердость холоднодеформированных образцов стали. Определить порог рекристаллизации "Тп.р." и температуру полной рекристаллизации образца. Рассчитать температуру полной рекристаллизации низкоуглеродистой стали по формуле Бочвара: Тр = 0,4 Тпл. . и сравнить с полученными данными. 7. Исследовать структуры образцов: до пластической деформации; после холодной пластической деформации с ε = 75%; после рекристаллизационного отжига при 400° С и 700° С; зарисовать структуры образцов; 8. Сделать выводы по работе и составить отчет.

195

Лабораторная работа 12 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМООБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ДУРАЛЮМИНА Цель работы: изучить влияние условий термообработки - на структуру и свойства дуралюмина. Для выполнения работы студент должен знать: классификацию алюминиевых сплавов, состав, термообработку, свойства и область применения дуралюминов. Сведения из теории. В автомобильной технике из цветных сплавов широкое применение находят сплавы на основе алюминия. Они обладают малой и массовой плотностью, достаточной прочностью и коррозионной стойкостью, высокой электро и теплопроводностью. В большинстве своем алюминиевые сплавы представляют собой ограниченные твердые растворы переменной растворимости. С повышением температуры растворимость компонентов в основе сплава увеличивается, что обуславливает возможность упрочнения его путем термической обработки. По своим технологическим свойствам алюминиевые сплавы делятся на деформируемые и литейные. Из деформируемых наибольшее применение получили дуралюмины, представляющие собой тройную систему Al – Cu – Mg (Д1, Д16, Д18 и т.д.). Рассмотрим термообработку на примере дуралюмина Д16, который широко используется как конструкционный материал. Его состав: Al – основа, Cu – 3,8 – 4,8%, Mg – 1%. Термическая обработка дуралюмина с целью упрочнения состоит из закалки и последующего старения.

196

Ж+

A Tзак. +αтв.

αтв.р +CuAl2

D Рис.1. Основные виды термообработки дуралюминов: закалка, старение, и отжиг.

При закалке получается неравновесный пересыщенный твердый раствор меди в алюминии. С течением времени закаленный дуралюмин испытывает структурные превращения (старение), приводящие к его упрочнению. На рисунке 1.показана часть диаграммы состояния Al – Cu (DF – линия переменной растворимости). При комнатной температуре сплав имеет структуру, состоящую из α-твердого раствора и вторичной фазы Cu Al2. В результате нагрева под закалку дуралюмина до t = 500±50 С и выдержке при этой температуре происходит растворение вторичных фаз и получается однородный α-твердый раствор. При быстром охлаждении в воде медь не успевает выделиться из кристаллической решетки раствора, в результате получается пересыщенный неравновесный 197

твердый раствор меди в алюминии. Состояние такого сплава термодинамически неустойчиво, и с течением времени происходит старение дуралюмина, сопровождающееся изменением структуры и механических свойств. Старение, протекающее при комнатной температуре, называется естественным, а при повышенной температуре искусственным. При естественном старении на определенных кристаллографических плоскостях решетки α-твердого раствора выделяется избыточная медь, образуются так называемые зоны Гинье-Престона. Появление этих зон приводит к искажению кристаллической решетки αтвердого раствора, вследствие чего сплав упрочняется. Например, свежезакаленный дуралюмин имеет σв = 250МПа. Продолжительность естественного старения – несколько суток. Искусственное старение проводят при С = 100 - 175° С в течение нескольких часов. С повышением температуры старения диффузионные процессы ускоряются и старение проходит более интенсивно. Процесс искусственного старения можно разбить на три стадии. На первой стадии образуются зоны Гинье-Престона, как и при естественном старении, но размеры зон значительно больше, а их количество - меньше. В результате искажается меньшее число кристаллов, чем при естественном старении. Поэтому упрочнение при искусственном старении не достигает уровня упрочнения при естественном старении. На второй стадии из выделявшейся меди образуется соединение, близкое по составу CuAl2 (Ө’-фазы), решетка которого когерентно связана с кристаллической решеткой α -твердого раствора.

198

На третьей стадии завершается образование вторичной фазы CuAl2 (Ө’-фазы), решетка которой отделяется от решетки α-твердого раствора. Искажения решетки α твердого раствора устраняются, и прочность сплава значительно снижается, поэтому третья стадия старения недопустима. Следовательно, искусственное старение требует соблюдения режима процесса по температуре и времени. Наиболее высокий комплекс механических свойств дуралюмин имеет в результате закалки в воде с t = 500° С с последующим естественным старением. Влияние температуры и времени искусственного старения на механические свойства показано на рисунке 2. Температура закалки оказывает существенное влияние на механические свойства (рис. 3). Недогрев до оптимальной температуры приводит к неполному растворению вторичных фаз, что снижает эффект упрочнения при последующем старении сплава. Перегрев ведет к оплавлению по границам зерен и их окислению, при этом прочность и пластичность резко падают. Отжиг дуралюмина проводится с целью восстановления структуры и механических свойств после холодной пластической деформации (наклепа), а также с целью разупрочнения дуралюмина после закалки и старения. При отжиге дуралюмин нагревают до температуры 3500-370° С, что приводит к полному распаду пересыщенного твердого раствора и выпадению вторичных фаз CuAl2, CuMgAl2 и др. При этом прочность и твердость сплава снижается, а пластичность повышается. Микроструктура Д16 в различных состояниях описана в таблице 1. Оборудование и приборы, учебно-наглядные пособия В работе используются: муфельные печи СНОЛ 1,6. 2,5. 1/9-43;

199

σ в,

твердомер Роквелла ТК-24М; металлографический микроскоп МИМ-7. Таблица 1. Термическая обработка и микроструктура дуралюмина.

Состояние образца Закалка с t = 3500 С (недогрев) и состарен Закален с t = 5000 С и состарен Закален с t = 5500 С (перегрев) и состарен Отожжен при t = 350-3700 С

Микроструктура Зерна α-твердого раствора меди в алюминии + некоторое количество вторичной фазы (CuAl2, CuMgAl2 и др.) Зерна α-твердого раствора меди в алюминии. Зерна α-твердого раствора меди в алюминии. Зерна укрупнены, а по границам окислены и оплавлены. Зерна α-твердого раствора меди в алюминии + вторичные фазы (CuAl2, CuMgAl2 и др.)

σв, МПа

20 10 200

-

Рис.2. Влияние температуры и времени старения на прочность дуралюмина.

200

T0 C Рис.3. Влияние температуры закалки на свойства дуралюмина.

Методика исследований: 1. Влияние температуры и времени искусственного старения на механические свойства дуралюмина оценивается по твердости. С этой целью используются цилиндрические образцы, которые предварительно нормально закалены с t = 5000 C в воде. Образцы подвергаются искусственному старению при различных температурах и времени старения. Твердость измеряется на приборе Роквелла по шкале «В» или по методу Бринелля. Между твердостью и прочностью для дуралюмина существует эмпирическая зависимость: σв = 0,37 * НВ, где НВ – твердость по Бринеллю. Влияние отжига на механические свойства 2. оценивается по значению твердости цилиндрического

201

образца до и после отжига. 3. Изучение микроструктуры образцов Д16 в различных состояниях проводится на металлографическом микроскопе. Порядок выполнения работы и содержание отчета. 1. Исследовать влияние температуры и времени старения на твердость дуралюмина. С этой целью: 9 образцов сплава Д16 подвергают закалке с 5000 С в воде. Затем на двух образцах измеряется твердость НRB после закалки; по 3 закаленных образца помещают в печь для искусственного старения на 5, 10, 15 мин после соответствующих выдержек измеряется твердость по Роквеллу. Полученные значения твердости сводятся в таблицу 2. Таблица 2.

Температура старения, 0 С

Твердость HRB при времени выдержки, мин. 5 10 15

100 175 250

3. Изучить структуру образцов дуралюмина в различных состояниях. 4. Сделать выводы по работе и оформить отчет. В выводах объяснить влияние температуры закалки и режима старения на структуру и свойства дуралюмина. Вопросы для контроля 1. Дуралюмины: состав, термообработка, применение. 2. Закалка дуралюмина: цель, условия проведения, изменение структуры и свойств. Старение дуралюмина: цель, сущность естественного 3. старения, изменение структуры и свойств. Стадии искусственного старения дуралюминия. 4. 5. Влияние температуры закалки на структуру и свойства закаленного и состаренного дуралюмина. В чем состоит термообработка дуралюмина, 6. обеспечивающая наибольшую прочность? Отжиг дуралюмина: цель, условия проведения, 7. изменение структуры и свойств.

По результатам таблицы построить графики зависимости твердости образцов от времени старения. Исследовать влияние отжига на твердость 2. дуралюмина. Для чего: измерить твердость нормально закаленного и состаренного цилиндрического образца; поместить его в печь с t = 3700 С на 30 мин и затем медленно охладить (можно на спокойном воздухе); измерить твердость образца после отжига. 202

203

ЗАДАЧИ ПО РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ, ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ И СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

Решение задач предусматривает обоснованный выбор сплава и его обработки, при использовании которых обеспечиваются надежность и стойкость деталей в условиях эксплуатации, указанных в каждой отдельной задаче. В задачах приведены более типичные условия использования изделий, имеющие место в разных отраслях промышленности. Кроме того, в задачах сформулированы характерные свойства, которые должен иметь сплав в соответствующем изделии. Для решения задачи надо, прежде всего, определить группу сплавов (например, конструкционных сталей общего назначения, чугунов, жаропрочных сталей и сплавов, инструментальных материалов и т.д.) Затем по литературным источникам определить наиболее пригодный сплав, из числа приведенных в выбранной группе, и режим его обработки. При этом необходимо рассмотреть возможность использования более дешевого материала (например, углеродистой стали обыкновенного качества или чугуна). Свойства основных материалов приведены в учебниках и в указанной ниже справочной литературе. Для выбранного сплава необходимо выбрать термическую или химико-термическую обработку. При этом необходимо учитывать экономичность выбранного режима (например, для деталей, изготовляемых в больших количествах, обработку с индукционным нагревом; газовую цементацию - при необходимости химико-термической 204

обработки и др.). При решении задач, при указании структуры и свойств выбранных сплавов рекомендуется использовать ГОСТы и следующие учебники и справочники: 1. Бутыгин В.Б. Металловедение. Барнаул: АлтГТУ, 1998. 2. Гуляев Ю.М. Металловедение. М.: Металлургия, 1989. Ю.А. Инструментальные стали. М.: 3. Геллер Металлургия, 1983. 4. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлургия, 1989. 5.

Материалы в машиностроении. Т. 1-5. М.: Машиностроение, 19691970.

6. Сорокин В.Г. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 1989. Пример решения задачи. Заводу нужно изготовить вал диаметром 70 мм для работы с большими нагрузками. Сталь должна иметь предел текучести не ниже 750 МПа, предел выносливости не ниже 400 МПа и ударную вязкость не ниже 0,9 МДж/м2. Завод имеет сталь: Ст. 4, 45 и 20ХНЗА. Какую из этих сталей следует применить для изготовления вала? Нужна ли термическая обработка выбранной стали и если нужна, то какая? Дать характеристику микроструктуре и указать механические свойства после окончательной обработки. Решение задачи Стали марок Ст.4, 45 и 20ХНЗА имеют состав, %. Сталь С Мп Si Сг Ni Р S Ст.4 0,18- 0,4- 0,12- 0,3 0,3 0,050 0,040 0,8 0,3 0,050 0,040 0,3 07 Сталь 45 0,27 20ХНЗА 0,42- 025- 0,17- 0,9 2,7- 0,025 0,025 3,2 036 0,37 0,50 0,17- 0,3- 0,170,6 0,37 0,23

205

Сталь марки Ст. 4, согласно ГОСТ, имеет 203 следующие свойства в состоянии поставки: σв = 420-540 МПа, σ0,2 = 240-260 МПа, δ = 2,1%. Сталь 45, согласно ГОСТ, в состоянии поставки имеет твердость не более НВ 207. При твердости НВ 190-200 сталь имеет предел прочности не выше 600-620 МПа, а при твердости ниже НВ 180 предел прочности не превышает 550-600 МПа. А предел текучести составляет 270-320 МПа. Сталь 20ХНЗА, согласно ГОСТ, в состоянии поставки имеет твердость не более НВ 250. Предел прочности при твердости НВ 230-250 не превышает 670-750 МПа. Предел текучести составляет 350-400 МПа. Таким образом, для получения заданной величины предела текучести вал необходимо подвергнуть термической обработке. Низкоуглеродистая сталь Ст. 4, как сталь обыкновенного качества, имеет повышенное содержание серы и фосфора, которые понижают механические свойства, и особенно сопротивление ударным нагрузкам. Для такого ответственного изделия, как вал двигателя, поломка которого нарушает работу машины, применение более дешевой по составу стали обыкновенного качества нерационально. Сталь 45 относится к классу качественной углеродистой, а сталь 20ХНЗА к классу высококачественной легированной стали. Эти стали содержат соответственно 0,42-0,5 и 0,17-0,23 % С и принимают закалку. Для повышения прочности можно применять нормализацию или закалку с высоким отпуском. Последний вариант обработки сложнее, но позволяет получить не только высокие характеристики, но и более высокую ударную вязкость. В стали 45 минимальные значения ударной вязкости после нормализации составляют 206

0,2-0,3 МДж/м2, а после закалки и высокого отпуска (500 °С) достигают 0,6-0,7 МДж/м2. Так как вал двигателя в работе воспринимает динамические нагрузки, а также и вибрации, более целесообразно принимать закалку и высокий отпуск. После закалки в воде углеродистая сталь 45 получает структуру мартенсита, однако, вследствие небольшой прокаливаемости углеродистой стали, эта структура в изделиях диаметром более 20-25 мм образуется только в сравнительно тонком и поверхностном слое толщиной до 24 мм. Последующий отпуск вызывает превращение мартенсита в сорбит только в тонком поверхностном слое, но не влияет на структуру и свойства перлита и феррита в основной массе изделий. Сорбит отпуска обладает более высокими механическими свойствами, чем феррит и перлит. Наибольшие напряжения от изгиба, кручения и повторно переменных нагрузок воспринимают наружные слои, которые и должны обладать повышенными механическими свойствами. Однако в сопротивлении динамическим нагрузкам, которые воспринимает вал, участвуют не только поверхностные, но и нижележащие слои металла. Таким образом, углеродистая сталь не будет иметь требуемых свойств по сечению вала диаметром 70 мм. Сталь 20ХНЗА легирована никелем и хромом для повышения прокаливаемости и закаливаемости. Она получает после закалки достаточно однородные структуру и механические свойства в сечении диаметром до 75 мм. Для стали 20ХНЗА рекомендуется термическая обработка: 1. Закалка с 820-835° С в масле. При закалке с охлаждением в масле (а не в воде как 207

это требуется для стали 45) возникают меньшие напряжения, а, следовательно, и меньшая деформация. После закалки сталь имеет структуру мартенсит и твердость не ниже HRC 50. 2. Отпуск 520-530° С. Для предупреждения отпускной хрупкости, к которой чувствительны стали с хромом, вал после нагрева следует охлаждать в масле. Механические свойства стали 20ХНЗА в изделии диаметром до 75 мм после термической обработки: Предел прочности σв = 900-1000 МПа Предел текучести σТ = 750-800 Мпа Предел выносливости σ -1 = 400-430 МПа Относительное удлинение δ% = 8-10 Относительное сужение ψ% = 45-50 Ударная вязкость КСV = 0,9 МДж/м2 Таким образом, эти свойства обеспечивают требования, указанные в задаче, для вала диаметром 70 мм. Задача 1 Подобрать марку стали для изготовления тяжело нагруженных коленчатых валов двигателей диаметром 60 мм; предел прочности стали должен быть не ниже 750 МПа. Рекомендовать химический состав стали, режим термической обработки; указать структуру после каждой операции термической обработки и механические свойства в готовом изделии. Задача 2 Завод должен изготовить три вала двигателей. Все они должны иметь предел прочности при растяжении не ниже 750 МПа. Однако первый вал имеет диаметр 35 мм, второй вал 50 мм и третий - 120 мм. Выбрать марки стали для изготовления валов, указать 208

химический состав и механические свойства; обосновать сделанный выбор марок стали, рекомендовать режим термической обработки и указать структуру стали в готовом вале. Задача 3 Зубчатые колеса в зависимости от условий работы и возникающих напряжений можно изготавливать из стали обыкновенного качества, качественной углеродистой и легированной с различным содержанием легирующих элементов. Выбрать, руководствуясь техническими и экономическими соображениями, сталь для изготовления колес диаметром 50 мм и высотой 30 мм с пределом прочности не ниже 350-380 MПa. Указать термическую обработку колее, механические свойства и структуру выбранной стали в готовом изделии и для сравнения механические свойства и структуру сталей 45 и 40ХН после улучшающей термической обработки. Задача 4 Многие зубчатые колеса двигателей должны обладать высокими характеристиками прочности и вязкости. В случае изготовления зубчатых колес путем нареза из прутка, ударная вязкость в поперечном направлении, т.е. в направлении изгиба зуба, будет относительно низкой. Подобрать марки стали для изготовления зубчатых колес диаметром 50 мм и высотой 40 мм, обеспечивающей получение после термической обработки предела текучести не ниже 500 МПа, твердости не ниже НВ 250-260 и ударной вязкости не ниже 0,4 МДж/м2. Указать химический состав стали, режим термической обработки и микроструктуру стали в готовом изделии. 209

Задача 5 Цех изготовляет зубчатые колеса диаметром 50 мм из цементуемой стали. Подобрать марки стали: а) для зубчатых колес, работающих в условиях обычного износа и удара, б) для зубчатых колес, работающих при повышенных удельных давлениях. Указать химический состав выбранных марок стали, рекомендовать режим термической обработки, объяснить назначение каждой операции термообработки и ее влияние на структуру и свойства стали. Сопоставить механические свойства стали выбранных марок в готовом изделии и привести механические свойства, которые можно подучить при изготовлении подобных зубчатых колес из модифицированного чугуна, хорошо работающего на износ. Задача 6 Станины станков изготавливают литьём. Предел прочности должен быть 200-250 МПа. Выбрать марку сплава, пригодного для изготовления станины, имеющей неодинаковую толщину в разных сечениях, и указать режим термической обработки станины и структуру сплава. При решении задачи учесть, что в литой детали необходимо иметь возможно меньше напряжений и термическая обработка должна предупредить деформацию (коробление) станины в процессе эксплуатации станка. Задача 7 Блок цилиндров двигателей трактора изготовляют из чугуна с твердостью НВ 170-240 и повышенной прочностью и износоустойчивостью. Подобрать марку чугуна, привести его структуру и механические свойства и указать, какой должен быть 210

принят химический состав чугуна, для того чтобы обеспечить получение заданных свойств. Указать, каким требованиям должны отвечать химический состав и структура чугуна, если цилиндры нагреваются в работе до 500-600 °С. Задача 8 Шатуны подвергаются действию знакопеременных и ударных нагрузок, поэтому они должны иметь максимально однородные свойства в продольном и поперечном направлениях. Шатуны двигателей изготовляют в зависимости от типа двигателей из стали с пределом прочности при растяжении: а) 700-750 МПа и б) 900-950 МПа. Ударная вязкость в обоих случаях должна быть не ниже 0,7-0,8 МДж/м2. Подобрать марки стали для изготовления шатунов обоих типов, привести химсостав, режим термической обработки, микроструктуру и механические свойства в готовом изделии. Задача 9 Валы диаметром 70 мм для гидротурбин, испытывающие в работе значительные напряжения, часто изготовляют из хромоникелевой стали, обладающей после термической обработки высокими характеристиками прочности σВ более 750-800 МПа, предел выносливости σ-1 ниже 300-350 МПа (при повышенной вязкости). Выбрать марку хромоникелевой стали, указать ее химический состав, режим термической обработки, структуру и механические свойства после окончательной термической обработки. Указать, какие специфические дефекты встречаются в хромоникелевой стали в результате неправильного ведения процесса термической обработки (отпуска). 211

Задача 10 Рессоры грузового автомобиля изготовляют из качественной легированной стали; толщина рессоры до 10 мм. Сталь в готовой рессоре должна обладать высокими пределами прочности, выносливости и упругости и не ломаться при эксплуатации. Рекомендовать режим термической обработки, структуру и механические свойства, которые можно получить при правильном выборе состава стали и обработки пружины. Объяснить, как влияет состояние поверхности на качество рессоры и указать способ обработки поверхностного слоя, позволяющий повысить предел выносливости. Задача 11 Цилиндрические пружины железнодорожных вагонов изготавливаются в массовых количествах. Пружины относительно больших размеров (например, с толщиной проволоки 10-15 мм и высотой пружины более 100 мм) удобно изготовить навивкой в горячем состоянии. Подобрать марку пружинной стали, не содержащей дорогих элементов и привести ее химический состав. Указать механические свойства и микроструктуру после навивки и термической обработки. Указать, какое сочетание механических свойств необходимо иметь в пружинах и как влияет на повышение механических свойств применение термической обработки. Задача 12 Поршневые пальцы диаметром 30 мм и длиной 50 мм должны иметь по условиям работы вязкую сердцевину и твердую поверхность, хорошо сопротивляющуюся износу

212

(HRC 58-62). Указать режим обработки, обеспечивающий получение требуемых свойств, если пальцы изготовляют массовыми партиями: а) из стали 20, б) из стали 45. Привести химический состав сталей 20 и 45 и сопоставить механические свойства в сердцевине изделия из стали 20 и 45. Задача 13 Подобрать марку стали для изготовления валов диаметром 50 мм для двух редукторов. По расчету сталь одного из валов должна иметь предел прочности не ниже 600 МПа, а для другого - не ниже 800 МПа. Указать: 1) химический состав стали выбранных марок, 2) рекомендуемый режим термической обработки для получения заданного предела прочности, 3) структуру стали после каждой операции термической обработки, 4) механические свойства в готовом изделии. Задача 14 На заводе изготовлялись валы для двигателей внутреннего сгорания диаметром 60 мм из стали, имеющей предел текучести 200-230 МПа и относительное удлинение 20-22%. В дальнейшем был получен предел текучести: а) в валах одного типа 600 МПа и ударную вязкость 0,6 МДж/м2; б) в валах другого типа 800 МПа и ударную вязкость 0,8 МДж/м2. Указать марки, химический состав и микроструктуру стали, обеспечивающие получение заданного предела текучести и ударной вязкости. Рекомендовать режим термической обработки валов, привести структуру и механические свойства после окончательной обработки.

213

Задача 15 Червяк редуктора диаметром 35 мм можно изготовить из цементуемой и нецементуемой стали. Обосновать, в каких случаях целесообразно применять цементуемую и в каких случаях нецементуемую сталь. Предел прочности в сердцевине детали должен быть 600-700 МПа. Выбрать марку цементуемой и марку нецементуемой углеродистой качественной стали. Указать химический состав, рекомендовать режим химико-термической и термической обработки и сопоставить механические свойства стали обоих типов в готовом изделии.

свойства в сердцевине (предел текучести должен быть не менее 750 МПа). Указать марку и состав стали, применяемой для этой цели, и рекомендовать режим термической и химикотермической обработки. Сопоставить последовательность применяемых при этом термических операций, продолжительность химикотермической обработки, толщину, структуру и твердость поверхностного твердого слоя и сравнить выбранный состав стали и режим обработки с составом стали и обработкой, применяемой при цементации.

Задача 16 Заводу поручено изготовить зубчатые колеса сложной формы диаметром 50 мм и высотой 100 мм, которые должны обладать твердостью на поверхности не ниже HRC 58-60, а в сердцевине прочности не ниже 400 МПа и ударной вязкостью не ниже 0,5-0,6 МДж/м2. Завод изготовил первую партию зубчатых колес из углеродистой цементуемой стали, однако некоторые зубчатые колеса получили деформацию при закалке. Подобрать марку стали и рекомендовать режим термической обработки после цементации, чтобы обеспечить получение заданных механических свойств и устранить брак по деформации. Указать микроструктуру стали в сердцевине и поверхностном слое после окончательной обработки и причины, вызывающие деформацию при закалке.

Задача 18 Стаканы цилиндров двигателей внутреннего сгорания с толщиной стенки 40 мм должны обладать высоким сопротивлением износу на поверхности. На заводе эти детали изготовляются из стали 20 с последующей цементацией и термической обработкой. В дальнейшем завод начал изготовлять цилиндры более ответственного назначения с повышенной износоустойчивостью и твердостью на поверхности не ниже HRC 62-64. Эту твердость сталь должна сохранить при нагреве до 300-400 °С. Указать, какие изменения необходимо было внести в технологический процесс термической и химикотермической обработки, выбрать марку стали для изготовления цилиндров.

Задача 17 Стаканы цилиндров мощных моторов должны обладать особо повышенной износоустойчивостью на рабочей поверхности и поэтому высокой твердостью ( HRC 62-64). Одновременно требуются высокие механические

214

Задача 19 Цементованный слой в деталях, изготовленных из хромоникелевой стали, может получить после закалки пониженную твердость (HRC 52-56) вследствие сохранения в структуре значительного количества остаточного аустенита.

215

Указать марку и химический состав цементуемой стали, в которой можно получить для сердцевины детали диаметром 80 мм, предел прочности 800-900 МПа при ударной вязкости 0,8 МДж/м2, а для поверхностного слоя Объяснить, можно ли при нагреве для отпуска превратить остаточный аустенит в мартенсит и получить при этом указанную высокую твердость. Указать и обосновать режим дополнительной термической обработки, позволяющей получить в детали необходимые твердость и структуру. Привести последовательность и режим всех операций термической обработки, а также структуру в поверхностном слое и в сердцевине детали после закалки и после окончательной обработки. Задача 20 Завод изготавливает два типа зубчатых колес. Размеры колес одинаковы (диаметр 50 мм и высота 70 мм), работают колёса в равных условиях. Предел текучести должен быть не ниже 540-550 МПа. Выбрать сталь для зубчатых колёс с учётом, что второй тип имеет более сложную форму. Привести состав и марку стали, учитывая технологические особенности термической обработки и необходимость предотвратить деформацию и образование трещин при закалке. Обосновать сделанный выбор материала, рекомендовать режим термической обработки и указать механические свойства в готовом изделии. Задача 21 Известно, что многие крупные детали для железнодорожного транспорта, изготавливают литыми, затем подвергают термической обработке для повышения механических свойств. Выбрать марку стали и обосновать

216

режим термической обработки, если предел прочности должен быть не ниже 300 МПа. Задача 22 Изготовление червячных колес диаметром 140 мм и толщиной 30 мм производилось заводом из серого чугуна. В дальнейшем потребовалось увеличить стойкость колёс. Серый чугун в этом случае должен обладать пределом прочности в 1,5 раза выше и относительным удлинением не менее 2 - 3%. Указать структуру и предел прочности серого чугуна, обладающего наиболее высокими механическими свойствами, которые можно получить в отливке указанной толщины. Привести способ получения чугуна, имеющего прочность в 1,5 раза больше прочности указанного серого чугуна. Задача 23 При реконструкции крана, предпринятой для увеличения его грузоподъёмности, конструктор не изменил диаметр ведущей оси крановой тележки, а заменил материал оси другой сталью с пределом текучести в 1,5 раза более высоким. Указать марку углеродистой качественной и легированной стали, из которой можно изготовить ось тележки, рекомендовать режим термической обработки и сопоставить механические свойства выбранных марок со Ст. 5, из которой ранее изготовлялась ведущая ось диаметром 70 мм. Задача 24 Выбрать стали для шпинделей токарных и шлифовальных станков с учетом того, что шпиндели

217

работают в условиях износа, которые, кроме того, должны обеспечить высокую точность обработки. Деформация шпинделей шлифовальных станков при окончательной термической обработке должна быть минимальной. Оба шпинделя должны иметь повышенную износостойкость. Указать структуру выбранной стали и твердость поверхностного слоя и сердцевины после окончательной обработки.

температур. Выбрать состав стали для труб, не испытывающих больших нагрузок, но нагревающихся в работе от 450-500° С до 600 °С. Указать режим термической обработки и микроструктуру стали, а так же объяснить роль легирующих элементов, позволяющих использовать эти стали для длительной работы при высоких температурах.

Задача 25 В целях экономии коленчатые валы легкового автомобиля изготавливают не из стали, а из чугуна материала, мало чувствительного к надрезу. Выбрать класс и марку чугуна с пределом прочности не ниже 400 МПа и относительным удлинением 2-3%. Указать структуру выбранного чугуна и форму выделения графита и объяснить, какие изменения в этом случае надо внести в условия выплавки.

Задача 28 Лопатки и другие детали особо мощных реактивных двигателей кратковременного действия работают в сильной окислительной среде при высоких температурах (1000 1500 °С). Металл, из которого изготавливают эти детали, должен обладать повышенной коррозионной стойкостью высокими характеристиками кратковременной прочности при указанной температуре. Выбрать металл или сплав для названных изделий, указать его состав и свойства, а также привести метод защиты изделий от окисления.

Задача 26 Щёки и шары машин для дробления руды и камней работают в условиях повышенного износа, сопровождаемого ударами. Выбрать сталь для изготовления щёк и шаров, указать её химический состав и свойства, в том числе обрабатываемость резанием на станках. Рекомендовать наиболее эффективный технологический процесс изготовления и режим термической обработки щёк и шаров. Указать структуру стали в готовом изделии. Задача 27 Многие детали установок расщепления нефти, в частности трубы печей, подвержены действию высоких

218

Задача 29 Нержавеющая хромоникелевая сталь некоторых составов обладает хорошей стойкостью против действия ряда химических сред, но после сварки становится чувствительной к интеркристаллитной коррозии в зоне, прилегающей к сварному шву. Указать химический состав, режим термической обработки и микроструктуру нержавеющей стали, стойкой против действия органических кислот и указать, какой компонент должна содержать эта сталь для сохранения стойкости против интеркристаллической коррозии.

219

Задача 30 Лопатки реактивных и турбореактивных двигателей работают в окислительной среде при температурах 600900°С. К этим сплавам предъявляются требования: высокая окалиностойкость, сопротивление ползучести, высокая длительная прочность при температурах до 800-900 °С. Требуется выбрать состав сплава указать методы термической обработки и привести структуру и свойства после окончательных операций этой обработки. Задача 31 На заводе изготавливали кольца для шарикоподшипников диаметром 20 мм из стали ШX 15. Появилась необходимость увеличения диаметра, шарикоподшипников до 50 мм. Подобрать марку стали для изготовления колец шарикоподшипников увеличенных размеров. Указать режим термической обработки и структуру в готовом изделии. Задача 32 При сборке строительных конструкций потребовалось большое количество болтов. Подобрать марку стали для изготовления болтов, обеспечивающую изготовление болтов на быстроходных станках-автоматах. Указать химический состав, режим термической обработки, механические свойства выбранной стали. Объяснить роль элементов присутствующих в стали на её технологичность. Задача 33 Выбрать марку быстрорежущей стали, наиболее пригодной для изготовления долбяков с наружным

220

диаметром 50 мм. При выборе марки стали для долбяка учесть, что обрабатывающий материал имеет твердость НВ 200-220. Долбяк при работе испытывает динамические нагрузки. Рекомендовать режим термической обработки выбранной стали и указать структуру и механические свойства. Задача 34 Выбрать марку стали для изготовления топоров. В целях предотвращения смятия и выкрашивания в процессе работы, лезвие топора должно иметь твердость HRC 50-55 на высоту 30-40 мм. Остальная часть не подвергается термической обработке. Указать химический состав стали, режим термической обработки, обеспечивающий указанные требования, а так же способ закалки, позволяющий получить необходимую твердость только в лезвии топора. Задача 35 На завод поступило несколько партий прутков из стали 45Х, поставляемых с твердостью НВ 160-180. Однако одна из поступивших партий имела твердость НВ 200-250. Указать способ и режим термической обработки, позволяющий снизить твердость этой партии прутков. Подобрать быстрорежущую сталь для изготовления фрез, пригодных для обработки стали 45Х. Привести химический состав, структуру и термическую обработку выбранной быстрорежущей стали. Задача 36 Известно, что штампы сложной формы сильно деформируются при закалке. Указать режим термической обработки штампов из

221

стали Х12М, при выполнении которой значительно уменьшается деформация. Указать структуру стали после закалки и объяснить причины, способствующие уменьшению деформации. Задача 37 Выбрать марку легированной инструментальной стали для изготовления круглых плашек, обрабатывающих мягкую низкоуглеродистую сталь. Указать режим термической обработки и способы защиты от обезуглероживания и окисления при нагреве для закалки. Привести химический состав, структуру и свойства после окончательной термообработки.

Задача 40 На заводе для обрабатывания чугунных и стальных деталей применялась быстрорежущая сталь нормальной теплостойкости. В целях повышения производительности обработки появилась необходимость замены применяемой стали для резцов. Выбрать сплав, обеспечивающий указанные условия. Привести химический состав, структуру, твердость, прочность и теплостойкость и способ изготовления этих сплавов и сравнить их с аналогичными характеристиками быстрорежущей стали.

Задача 38 При разработке горных пород используют пневматические долота, которые должны обладать высокой твердостью в пределах HRC 55-58 и износостойкостью. А так как при работе они испытывают ударные нагрузки, то и достаточную вязкость. Выбрать марки стали для долот простой и сложной формы. Указать режим термической обработки, привести структуру и свойства выбранных сталей. Задача 39 Выбрать сталь для пуансонов выдавливания жаропрочных сплавов разогревающихся при работе до температур 700-720 °С, если диаметр пуансона составляет 60 мм. Рекомендовать режим термической обработки пуансона. Привести химсостав выбранной стали, свойства и механические свойства после термической обработки.

222

223

Приложение 1 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Критические точки А1- нижняя критическая точка; А3- верхняя критическая точка; Ас1 - нижняя критическая точка при нагреве; Ас1е - начало превращения; Ас1б - конец превращения; Ас3 - верхняя критическая точка при нагреве доэвтектоидной стали; Аст - верхняя критическая точка при нагреве заэвтектоидной стали; Ar1 - нижняя критическая при охлаждении; Аr3 - верхняя критическая точка при охлаждении; Мн - температура начала мартенситного превращения; Мк - температура конца мартенситного превращения. Структурные составляющие А - аустенит П - перлит К - карбиды Ф - феррит М- мартенсит Ц – цементит Механические свойства

σ-1 - предел выносливости, МПа КС - ударная вязкость, определенная на образцах без надреза кДж/м2; КСU - ударная вязкость, определенная на образцах с надрезом кДж/м2. Твердость НВ - твердость по Бринеллю; HRC - твердость по Роквеллу (по шкале С); HV - твердость по Виккерсу; H100 - микротвердость при испытании с нагрузкой 100 гс. Физические свойства 4πJs - магнитное насыщение, Т; 1T = 104 Гс; Вг - остаточная индукция, Т; Нс - коэрцитивная сила, А/м; 1 А/м = 0,01256 Э; ρ - удельное электросопротивление, Ом-мм2/м, мкм-Ом-м S - удельная электропроводимость, См/м; µmax- максимальная магнитная проницаемость, Г/м; 1 Г/м = 7,96-105 Гс/Э; γ- плотность, г/см3; α - коэффициент линейного расширения в 1/ °С; λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м • °С) 1 Вт/(м • °С) =0,0024 кал/(см - °С).

Условные характеристики σт1- предел пропорциональности при растяжении, МПа; σТ- предел текучести при растяжении, МПа; σ 0,2 - предел текучести при растяжении (при допуске на величину остаточной деформации 0,2%), МПа; δ- относительное удлинение, %; ψ- относительное сужение; σВ- предел прочности при растяжении, МПа; σсж предел прочности при сжатии, МПа; σизг - предел прочности при изгибе, МПа;

224

225

Приложение 2

А (60 кг)

В (100 кг)

С (150 кг)

Твердост Твердость по ь по Бринелл Роквеллу шкала ю (Dm = 10мм Р3000кг) Диаметр отпечатка в мм Число твердости

А , (60 кг)

Твердость по Роквеллу шкала В (100 кг)

С (150 кг)

Число твердости

Диаметр отпечатка в мм

Твердость по Бринеллю (Dm = 10мм Р = 3000кг)

Твердость по Виккерсу

Твердость по Виккерсу

Таблица 1 Соотношение чисел твердости по Бринеллю, по Роквеллу и Виккерсу

694

2,55

578 58

-

78

192

Продолжение таблицы 2 4-35 192 11 92 57

650

2,60

555 56

.

77

186

4,40

187 9

91

57

606

2,65 534

54

-

76

183

4,45 183

8

90

56

587

2.70 514

52

-

75

178

4,50 179

7

90

56

551

2,75 495

50

-

74

174

4,55 174

6

89

55

534

2.80 477

49

.

74

171

4.60 170

4

88

55

502

2,85 461

48

-

73

166

4.65 167

3

87

54

474

2,90 444

46

.

73

162

4,70 163

2

86

53

460

2.95 429

45

-

72

159

4-75 159

1

85

53

435

3,00 415

43

-

72

155

4,80 156

0

84

52

423

3.05 401

42

-

71

152

4.85 152

.

83

-

401 390 380

зло 388 3,15 375 3,20 363

41 40 39

. .

71 70 70

149 148 143

4.90 149 4,95 146 5,00 143

. -

82 81 80

_

1224

2,20

780

72

-

1116

2,25

745

70

-

84 228 4,00 229 20 10 61 0 83 222 4.05 223 19 99 60

1022

2,30

712

68

_

82 217 4,10 217 17 98 60

361

3,25 352

38

.

69

140

5.05 140

.

79

_

941

2.35

682

66

-

81 213 4,15 212 15 97 59

344

3,30 341

36

.

68

138

5,10 137

_

78

_

868

2,40

653

64

-

80 208 4,20 207 14 95 59

334

3,35 331

35

-

67.

134

5,15 134

-

77

-

804

2,45

627

62

-

79 201 4,25 201 13 94 58

320

3,40 321

33

-

67

131

5.20 131

-

76

_

746

2,50

601

60

-

78 197 4.30 197 12 93 58

226

227

Продолжение таблицы 3 311

3,45

311

32

-

66 129 5,25 128

-

75

-

303

3,50

302

31

-

66 127 5,30 126

-

74

-

292

3,55

293

30

-

65 123 5,35 123

-

73

-

285

3,60

285

29

-

65 121 5,40 121

-

72

-

278

3,65

277

28

-

64 118 5,45 118

-

71

-

270

3,70

269

27

-

64 116 5,50 116

.

70

-

261

3,75

262

26

-

63 115 5,55 114

_

68

.

255

3,80

255

25

-

63 113 5,60 111

-

67

-

249

3,85

248

24

-

62 ПО 5,65 110

-

66

-

240

3,90

241

23

102 62 109 5,70 109

-

65

-

235

3.95

235

21

101 61 108 5.75 107

-

64

-

228

Приложение 3 Термины основных свойств металлов Прочность — способность металлов выдерживать напряжения, не разрушаясь под действием приложенных сил. Предел прочности при растяжении - напряжение, равное отношению наибольшей нагрузки, предшествовавшей разрушению образца, к первоначальной площади сечения образца. Предел текучести (физический) при растяжении напряжение, при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки. Предел текучести (условный) при растяжении напряжение, при котором образец получает остаточное удлинение, равное 0,2 % первоначальной расчетной длины. Пластичность - свойство металлов менять свою форму и размеры без разрушения под действием внешних сил. Относительное удлинение - отношение абсолютного удлинения, т.е. приращения расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине, выраженное в процентах. Относительное сужение - отношение абсолютного сужения, т.е. уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в процентах. Твердость - способность металла противодействовать вдавливанию в него более твердого металлического или алмазного наконечника. Ударная вязкость - способность металла оказывать сопротивление действию ударных нагрузок. Хрупкое разрушение - разрушение металла, происходящее без заметной пластической деформации. Вязкое разрушение разрушение металла, происходящее после значительной предварительной

229

пластической деформации. Хладноломкость - склонность некоторых металлов и сплавов при понижении температуры переходить от вязкого разрушения к хрупкому. Критическая температура хрупкости - температура перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому и наоборот. Усталость - разрушение металла под действием повторно-переменных напряжений (циклов). Предел выносливости - наибольшая величина максимального напряжения цикла, не вызывающего разрушения практически при очень большом числе циклов (107 и более). Термическая усталость - склонность стали к образованию поверхностной сетки трещин при многократном нагреве и охлаждении. Разгаростойкость - сопротивление стали термической усталости. Жаростойкость (окалиностойкость) - способность металлов и сплавов противостоять окислению (окалинообразованию) при нагреве до высоких температур. Жаропрочность — способность металлов и сплавов сохранять при повышенных температурах прочность, т.е. противостоять механическим нагрузкам. Ползучесть - свойство металлов медленно и непрерывно деформироваться (ползти) в течение длительного времени при постоянной нагрузке и повышенных температурах. Предел ползучести - напряжение, вызывающее деформацию заданной величины за определенный промежуток времени при заданной температуре. Предел длительной прочности - напряжение, вызывающее разрушение при данной температуре за данный интервал времени. 230

Износостойкость - свойство металла оказывать сопротивление поверхностному износу. Наклеп - поверхностное упрочнение металла при пластической деформации в холодном состоянии. Теплостойкость - способность рабочей кромки стального инструмента сохранять в эксплуатации (при нагреве) структуру и свойства, необходимые для резания или деформирования. Закаливаемость - способность стали к повышению твердости при закалке. Прокаливаемость - способность стали воспринимать закалку на определенную глубину. Синеломкость — хрупкость, возникающая при нагреве стали в интервале температур синего цвета побежалости (300 °С). Отпускная хрупкость необратимая - снижение ударной вязкости стали при отпуске в интервале 250-400 °С. Отпускная хрупкость обратимая - снижение ударной вязкости некоторых легированных сталей после медленного охлаждения с температуры отпуска в интервале 450-650° С.

231

Список рекомендуемой литературы

1. Арзамасов Б.Н., Сидорин И.И. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1986. 384 с. 2. Бутыгин В.Б. Металловедение. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1998. 173с. 3. Бутыгин В.Б.. Степаненко Н.А. Исследование закаливаемости и прокаливаемости стали. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1996. 23с. 4. Бутыгин В.Б., Жданов А.Н. Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства инструментальных сталей Барнаул: Б.и., 1991. 16 с. 5. Бутыгин В.Б. Исследование влияния термической обработки на структуру и свойства инструментальных сталей. Барнаул: Б.и., 1978. 8 с. 6. Бутыгин В.Б. Материаловедение и конструкционные материалы. Барнаул: Б.и., 1983. 31 с. 7. Бутыгин В.Б. Инструментальные материалы и инструментальное обеспечение автоматизированного производства. Барнаул: Б.и., 1991. 78 с. 8. Бутыгин В.Б. Изучение диаграммы состояния двойных сплавов. Б.и.; 1983. 11с. 9. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение М.: Металлургия, 1989. С. 141-182. 10. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1989. 543 с. 11. Гурьев A.M. Жданов А.Н. Изучение зависимости между химическим составом, структурой и свойствами чугунов. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1996. 19 с. 12. Гурьев A.M., Жданов А.Н., Кириенко A.M. Исследование влияния цементации на структуру и свойства стали. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1994. 26 с. 13. Евтушенко А.Т., Свит П.П. Исследование влияния термической обработки на структуру и механические 232

свойства углеродистой стали. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1998. 27 с. 14. Евтушенко А.Т., Бутыгин В.Б., Околович Г.А. Технология производства и свойства металлов. Барнаул: Издво АлтГТУ, 1998. 260 с. 15. Калашникова Н.Ф., Салманов К.С., Бутыгин В.Б. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Барнаул: Б.и., 1985. 23 с. 16. Калашникова Н.Ф., Салманов Н.С., Бутыгин В.Б. Термическая обработка стали. Барнаул: Б.и, 1985. 39 с. 17. Лахтин Ю.М. Основы металловедения. М.: Металлургия, 1988.-407с. 18 Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1980. 19. Околович Г.А., Салманов Н.С. Инструментальные материалы для штампов холодного и горячего деформированная. - Барнаул: Б.и., 1986. - 19 с. 20. Огневой В.Я. Определение основных механический свойств материалов. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1996. - 24 с. 21. Степаненко Н.Л. Критерии оценки конструктивной прочности металлических материалов. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1993. -14 с. Подписано в печать 16.10.2006 г. Формат 60х84 1/16. Объем в усл.п.л. 13,48. Тираж 100 экз. Заказ № 205 Издательство ВСГТУ. г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в.

233