Порядок выполнения работы

1. Каждый студент получает один образец закаленной стали 45, замеряет твердость на приборе Роквелла.

Рис. 7.2 Зависимость механических свойств отпущенной углеродистой стали

от температуры отпуска

2. Помещает в муфельную печь на отпуск при заданной температуре. Время нагрева образца – 30 мин. с последующим охлаждением на воздухе.

3. После остывания замеряет твердость отпущенной стали на приборе Роквелла. Данные по всем режимам отпуска сводятся в табл. 6.2.

Таблица 7.1

Данные лабораторных испытаний

Температура отпуска, С	Охлаждающая среда	Твердость до отпуска, HRC	Твердость после отпуска, HRC
180	Воздух
350	Воздух
450	Воздух
650	Воздух

Содержание отчета

1. Кратко описать ход работы.

2. По данным табл. 6.2 построить графическую зависимость твёрдости от температуры отпуска в координатах HRC – T С отпуска.

3. Изобразить все исследуемые образцы стали 45 в кружках диаметром 25 или 50 мм и указать структурные составляющие.

4. Ответить на индивидуальный вопрос.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение отпуска стали? Перечислите виды отпуска и их применение.

2. Чем мартенсит закалки отличается от мартенсита отпуска?

3. Как влияет повышение температуры отпуска на пределы прочности и упругости стали?

4. Какую структуру должны иметь после термической обработки (закалка и отпуск) рессоры, пружины и пилы?

5. При каких температурах отпуска заканчивается распад аустенита остаточного?

6. Как изменяются структура и свойства стали в связи с коагуляцией карбидной фазы при отпуске?

Задания к лабораторной работе

1. Назначьте режим термической обработки (закалка, отпуск) фрез из стали У12. Описать сущность происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после обработки.

2. Используя диаграмму Fe–Fe₃C и кривую изменения твердости в зависимости от температуры отпуска, назначить для стали 50 температуры закалки и отпуска, необходимые для обеспечения твердости 400 НВ. Описать превращения, которые происходят в данной стали в процессе закалки и отпуска и конечную структуру.

3. Назначить режимы термической обработки (закалка, отпуск) рессор из стали 65, которые должны иметь твердость 40–45 НRС. Описать сущность происходящих в процессе термообработки превращений, микроструктуру и свойства рессор в готовом виде.

4. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) метчиков из стали У10. описать сущность происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после термообработки.

5. Изделия из стали 60 закалки и последующего отпуска имеют твердость, превышающую обусловленную техническими условиями. Чем вызван этот дефект? Как его можно устранить? Описать сущность превращений, происходящих при термической обработке.

6. После закалки и отпуска углеродистой стали получена структура цементит + мартенсит отпуска. Нанесите на диаграмму Fe–Fe₃C (примерно) ординату заданной стали и укажите температуру нагрева этой стали под закалку. Укажите температуру отпуска и опишите превращения, которые произошли в процессе закалки, отпуска.

7. Назначьте режим термической обработки (закалка, отпуск) изделий из стали 45, которые должны иметь твердость 230–250 НВ. Описать превращения происходящие при термической обработке, микроструктуру и твердость изделий в готовом виде.

8. Описать сущность и назначение отпуска. Дать характеристику всех видов отпуска и область применения каждого из них. Привести примеры изделий, подвергаемых различным видам отпуска.

9. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) пружин из стали 70, которые должны иметь твердость 40–45 НRС. Описать сущность происходящих превращений и микроструктуру стали после термообработки.

10. Углеродистые стали 35 и У8 имеют после закалки и отпуска структуру – мартенсит отпуска и твердость: первая – 52 НRC, вторая – 60 НRC. Используя диаграмму Fe–Fe₃C, указать температуру закалки и отпуска каждой стали. Описать превращения, происходящие в этих сталях в процессе закалки и отпуска и объяснить почему мартенсит отпуска стали У8 имеет большую твердость, чем мартенсит отпуска стали 35.

11. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) стяжных болтов из стали марки Ст5, которые должны иметь твердость 210–230 НВ. Описать превращения при термообработке, микроструктуру и свойства болтов в готовом виде.

12. При какой температуре производится отпуск закаленных рессор из стали 65? Описать сущность превращений, происходящих в процессе закалки и отпуска рессор, их микроструктуру и свойства.

13. Указать микроструктуру и свойства образцов из стали 45, подвергнутых правильной закалке и отпуску:

1 – при 200 °С в течение 1 часа,

2 – при 550 °С в течение 1 часа.

Описать сущность превращений, происходящих при отпуске.

14. Используя диаграмму Fe–Fe₃C и кривую изменения твердости в зависимости от температуры отпуска, назначить для стали 40 температуру закалки и отпуска, необходимую для обеспечения твердости 500 НВ. Описать превращения, которые произошли в стали в процессе закалки и отпуска и микроструктуру после термообработки.

15. Что собой представляет термообработка холодом закаленных изделий? С какой целью она проводится? Как изменяется структура и свойства стальных изделий после такой обработки?

16. Образцы из стали 45 должны иметь твердость: 1–40 HRC; 2–30 HRC. Укажите режим термической обработки, обеспечивающий получение заданной твердости. Опишите превращения, происходящие при обработке и микроструктуре изделий в готовом виде.

17. Указать микроструктуру и свойства двух закаленных образцов из углеродистой стали с 0,8–0,9 % С, если один из них подвергался отпуску при 200 °С в течение одного часа, а другой отпуску при 350 °С в течение 1 часа. Объясните различие в микроструктуре закаленной и низкоотпущенной стали.

18. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) штампов из стали У8. Описать сущность происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после термообработки.

19. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) зубил из стали У7. Описать сущность происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после термообработки.

20. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) резьбовых калибров из стали У9. Описать сущность происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после термообработки.

21. Указать микроструктуру и свойства образцов из стали У8, подвергнутых правильной закалке и отпуску:

1 – при 180 °С в течение 1 часа,

2 – при 350 °С в течение 1 часа.

Описать сущность превращений, происходящих при отпуске.

22. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) пружин из стали 65, которые должны иметь твердость 40–45 HRC. Какие превращения происходят в стали в процессе термообработки? Какую структуру и свойства имеют пружины в готовом виде?

23. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) валов из стали 40, которые должны иметь твердость 300 HВ. Описать превращения, которые произошли в стали в процессе закалки и отпуска и описать полученную структуру.

24. Изделия из стали 40 должны иметь твердость 450 НВ. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск), обеспечивающий получение заданной твердости. Какие превращения происходят в стали при данной термообработке? Какая получается микроструктура?

25. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) метчиков из стали У10. Описать сущность превращений, происходящих при термообработке микроструктуру и свойства инструмента в готовом виде.

Лабораторная работа № 5

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА

КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Цель работы. Изучить:

– назначение легирования;

– состав, классификацию и маркировку легированных сталей;

–структуру и свойства представленных образцов конструкционных машиностроительных низколегированных сталей после различной термической обработки.

Приборы, материалы и инструмент

1. Оптический микроскоп МИМ-7.

2. Коллекция микрошлифов легированных конструкционных сталей.

3. Плакаты, альбомы с изображением различной микроструктуры легированной конструкционной стали.

Краткие теоретические сведения

Элементы, специально вводимые в сталь с целью изменения ее строения и свойств, называют легирующими элементами – Л.Э.

По химическому составу стали могут быть распределены на следующие группы:

– низколегированные – Л.Э. < 5 %;

– среднелегированные – Л.Э. > 5 %;

– высоколегированные – Л.Э. ≥ 10 %.

В обозначении марок первые цифры указывают среднюю массовую долю углерода: в сотых долях процента для конструкционных сталей или в десятых долях процента для инструментальных сталей. Буквы за цифрами означают: Р – бор, Ю – алюминий, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Г – марганец, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам. Цифры, стоящие после букв, указывают примерную массовую долю легирующего элемента в целых единицах, процентах. Отсутствие цифры означает, что в марке содержится до 1,5 % этого легирующего элемента. Буква А в конце наименования марки означает «высококачественная сталь». «Особовысококачественная сталь» обозначается буквой Ш через тире в конце наименования марки. Например, качественная – 30ХГС, высококачественная – 30ХГСА, особовысококачественная – 30ХГС-Ш.

Назначение легирования. Легирование проводится для получения у сталей особых свойств:

• магнитных;

• высокого электросопротивления;

• заданного коэффициента линейного расширения;

• коррозионной стойкости;

• жаропрочности;

• жаростойкости;

• износостойкости;

• окалиностойкости;

• теплостойкости.

Перечисленные свойства можно достичь лишь у высоколегированных сталей.

Введение в сталь небольшого количества легирующих элементов и получение низколегированных сталей осуществляется для повышения прокаливаемости.

В отожженном состоянии легированные стали по механическим свойствам практически не отличаются от углеродистых.

Влияние легирующих элементов на повышение механических свойств сталей достигается при использовании сталей в термически упрочненном состоянии.

а б в

Рис. 8.1 Диаграмма изотермического распада аустенита

при охлаждении на воздухе:

а – углеродистой стали; б – низколегированной стали;

в – среднелегированной стали

Чем выше устойчивость переохлажденного аустенита, тем меньше критическая скорость закалки V_кр и выше прокаливаемость стали.

Легированные стали (рис. 8.1, б, в) имеют более высокую устойчивость переохлажденного аустенита, если в нем растворены легирующие элементы, т. к. диаграмма изотермического распада с повышением содержания легирующих элементов смещается вправо.

Легирование стали, даже небольшим количеством легирующих элементов, повышает прокаливаемость. Эффективно повышает прокаливаемость введение нескольких элементов (хрома и марганца; хрома и никеля; хрома, никеля и молибдена и т. д.).

Влияние легирующих элементов на полиморфные превращения железа. Легирующие элементы могут изменять температуру полиморфных превращений железа, образуя с ним твердые растворы замещения.

При этом меняются температуры линий А₃ (GS) и А₄ (NJ) определяющие область существования α и γ железа на диаграмме Fe–Fe₃C.

Поэтому диаграммы Fe – легирующий элемент имеют свою конфигурацию по сравнению с диаграммой Fe–Fe₃C. Легирующие элементы по влиянию на полиморфизм железа делятся на две группы:

а б Рис. 8.2. Схема диаграммы состояния железо–легирующий элемент: а – Fe–Л.Э. (Mn, Ni); б – Fe–Л.Э. (Cr, Mo, W и др.)

1. При высоком содержании Ni и Mn повышается температура А₄ (NJ) до линии солидус и понижается температура А₃ (GS) до комнатной (рис. 8.2, а). При определенной концентрация легирующих элементов сплавы не имеют α↔γ превращения при всех температурах, а представляют собой твердый раствор легирующих элементов в γ – железе. Такие стали называют аустенитными.

2. При большом количестве в стали Cr, Mo, W, V, Si, Ti, Al, S и т. д. понижается температура А₄ (NJ) и повышается температура А₃ (GS). Это сужает и замыкает область существования γ – модификации (рис. 8.2, б). При определенном содержание легирующих элементов, сплавы при всех температурах, состоят из твердого раствора легирующих элементов в α – железе. Такие стали называют ферритными, если содержание углерода в них пониженное.

Классификация легированных сталей по структуре:

При классификации сталей по структуре учитываются особенности ее строения в нормализованном и отожженном состояниях

1. В нормализованном состоянии – после охлаждения на воздухе, стали подразделяются на стали перлитного, мартенситного, аустенитного и ферритного классов.

Стали перлитного класса. Кривая скорости охлаждения на воздухе (рис. 8.3, а) пересекает область перлитного превращения с образованием структур: перлит, сорбит и тростит (из-за невысокой устойчивости переохлажденного аустенита). К этому классу относятся углеродистые и низколегированные стали.

Стали мартенситного класса. Они отличаются высокой устойчивостью переохлажденного аустенита. Так как с увеличением содержания легирующих элементов область перлитного распада сдвигается вправо и охлаждение на воздухе приводит к мартенситному превращению (рис. 8.3, б).

К этому классу относятся средне и высоколегированные стали.

а б в

Рис. 8.3 Диаграмма изотермического распада аустенита

для сталей трех структурных классов:

а – перлитного; б – мартенситного; в – аустенитного

Стали аустенитного класса. Эти стали получают при увеличении содержания легирующих элементов (Mn, Ni), сдвигая вправо область перлитного превращения (рис. 8.3, в). Также у них интервал мартенситного превращения ниже 0 °С, поэтому аустенитная структура сохраняется ниже Т = 20–25 °С.

Стали ферритного класса. Эти стали получают введением элементов хром, кремний, вольфрам, ванадий и др. расширяющих α-область.

Легирующие элементы значительно влияют на фазовые превращения в сталях. На рис. 8.4. показаны изменения вида диаграммы Fe–Fe₃C, т. к. элементы Cr, Si, V, Ti и др. уменьшают эвтектоидную концентрацию углерода и его предельную растворимость в аустените при всех температурах, сдвигая точки S и Е влево.

Повышение содержание легирующих элементов в составе сталей смещает точку S на диаграмме Fe–Fe₃C влево (см. рис. 7.4), что способствует формированию заэвтектоидной структуры при невысоком содержании углерода. Например, ее имеет сталь 40Х13.

Рис. 8.4 Диаграмма состояния Fe-Fe₃C

2. В отожженном состоянии – по структуре, полученной в условиях равновесия, легированные стали делят на классы:

– доэвтектоидный – структура: эвтектоид и легированный феррит;

– эвтектоидный – с перлитной структурой;

– заэвтектоидный – структура эвтектоид и избыточные вторичные карбиды;

карбидный – стали этого класса в литом состоянии имеют в структуре эвтектику – ледебурит при 0,8–1,2 % С, т. к. высокое содержание легирующих элементов смещает точку Е на диаграмме Fe–Fe₃C влево (рис. 8.4). Например, в стали Х12Ф1, легированной 12 % Cr, ледебурит появляется в структуре при содержании углерода ≈ 1,3 %. Характерно, что небольшое количество ледебуритной эвтектики при пониженном содержании углерода, не снижает способности сплава обрабатываться давлением в горячем состоянии, тогда как нелегированный белый чугун (С > 2,14 %) теряет способность к обработке давлением даже при малых количествах ледебурита.

По взаимодействию с углеродом в стали, легирующие элементы подразделяют на две группы:

1) элементы: Si, Ni, Cu, Al, Со растворяются в аустените и не взаимодействуют с углеродом (нейтральные);

2) карбидообразующие элементы: Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Zr, Ti, (взаимодействующие с углеродом).

При введении в сталь карбидообразующего элемента в небольшом количестве (1–2 %) образования его карбида не произойдет, но атомы легирующих элементов частично заменяют атомы железа в решетке цементита. Следовательно, образуется легированный цементит например, (Fe, Mn)₃С, мало отличающийся по свойствам от обычного цементита.

Хром образует растворимые в аустените карбиды:

• в среднелегированных сталях Cr₇C₃;

• в высоколегированных сталях Cr₂₃C₆.

Хром влияет на общий процесс карбидообразования. При его введении в сталь с W и Мo в соответствующем количестве, появляются сложные карбиды содержащие Cr, W, Mo и Fe.

Их формула М₆С, где символ М показывает сумму металлических элементов в составе карбида.

Карбиды М₆С могут растворяться в аустените при температурах более высоких, чем карбиды хрома и легировать его.

В зависимости от свойств легированных сталей в них присутствуют различные виды и сочетания карбидов.

Низколегированные конструкционные стали перлитного класса. Важное значение в машиностроении имеют конструкционные низколегированные стали. Эти стали относятся к сталям перлитного класса, потому что при охлаждении на воздухе приобретают перлитную структуру.

Совместное воздействие термической обработки и легирования является эффективным способом повышения механических характеристик стали.

Содержание углерода является еще одним фактором влияющим не только на структуру и свойства стали, но и на принципы ее классификации по типу термической, химико-термической обработки и назначению.

По количеству углерода низколегированные конструкционные машиностроительные стали делятся на:

– цементуемые С – 0,1–0,3 %;

– улучшаемые С – 0,3–0,5 %;

– рессорно-пружинные С – 0,55–0,8 %;

– шарикоподшипниковые С – 0,9–1,1 %.

Цементуемые стали. Стали с содержанием углерода 0,1–0,25 % являются низкоуглеродистыми и слабо упрочняются закалкой.

Упрочнение этих сталей достигается химико-термической обработкой (ХТО) – цементацией.

Поверхность заготовки подвергают диффузионному насыщению углеродом в твердой и газообразной среде при Т = 1000–950 °С.

Функциональное назначение низкоуглеродистых сталей – работа в условиях трения (зубчатые колеса, кулачки, валы, пальцы и т. д.).

Для получения заданного комплекса механических свойств после цементации необходима дополнительная термическая обработка деталей: двойная закалка и низкий отпуск, после чего поверхностный слой приобретает структуру отпущенного мартенсита с включениями карбидов и твердость 58–62 HRC (рис. 8.5).

Мартенсит отпуска	После цементации поверхностный слой содержит более 0,8 % С и имеет структуру заэвтектоидных сталей – перлит и вторичный цементит. Под поверхностным слоем изделие имеет эвтектоидную концентрацию углерода и перлитную структуру. По направлению к сердцевине концентрация углерода уменьшается, структура соответствует доэвтектоидной стали и количество перлита уменьшается.
Рис. 8.5. Цементованный термообработанный слой зубчатого колеса

Сердцевина может приобрести структуру бейнита или троостита, сорбита и твердость 30–42 HRC.

Примерные марки 15Х, 20Х, 15Х2, 25ХГМ, 12ХМ3А

Улучшаемые стали. Среднеуглеродистые (0,3–0,5 % С) низколегированные стали приобретают высокие механические свойства после термического улучшения – закалки при температуре 820–880 °С и высокого отпуска при температуре 550–650 °С.

Структура стали после улучшения – сорбит.

Улучшаемые стали имеют высокий предел текучести σ_0,2, малую чувствительность к концентраторам напряжений, высокий предел выносливости σ_в и достаточный запас вязкости KCU.

Детали машин из этих сталей работают при ударных и циклических нагрузках (валы, штоки, шатуны и т. д.) иногда при пониженных температурах.

Выбор марки стали (степени легирования) определяется размером термически обрабатываемой заготовки и условиями ее работы.

Примерные марки 40Х, 45Х, 35ХГСА, 40ХН, 45ХН. Повышение количества легирующих элементов позволяет повысить прокаливаемость, а значит увеличить поперечное сечение изделий из этих сталей.

Рессоро-пружинные стали. Для обеспечения работоспособности силовых упругих элементов применяют стали с повышенным содержанием углерода (0,5–0,7 %).

Недорогие и достаточно технологичные рессорно-пружинные стали широко используют в авто- и тракторостроении, железнодорожном транспорте и станкостроении.

Эти стали должны иметь высокий предел упругости (текучести), что обеспечивает трооститная структура. Полученная закалкой при 800–850 °С в масле или воде с последующим средним отпуском при 350–520 °С.

Примерные марки для рессор сечением до 20 мм – 55С2, 70С3А, а 60С2ХА, 60С2Н2А для пружин и рессор сечение 50–80 мм.

Подшипниковые стали. Она относится к специальным сталям, что показывает ее маркировка, но используется для ответственных деталей машин и конструкций и является низколегированной сталью перлитного класса.

Для производства шариков, роликов и колец подшипников применяют недорогие технологичные высокоуглеродистые (0,95–1,1 % С) – шарикоподшипниковые стали.

Работоспособность этих изделий зависит от скорости поверхностного усталостного выкрашивания. Основная защита – высокая твердость и износостойкость рабочей поверхности.

Эти свойства обеспечивает структура мелкоигольчатого мартенсита отпуска с равномерно распределенными избыточными карбидами после закалки в масле и низкого отпуска.

Примерные марки сталей ШХ9, ШХ15, а для деталей, прокаливающихся на большую глубину (свыше 30 мм), применяют сталь ШХ15СГ.

Порядок выполнения и содержание отчета лабораторной работы

1. Рассмотреть под микроскопом все шлифы коллекции.

2. Определить микроструктуру образцов представленных в таблице, сопоставить эту структуру с термической или термохимической обработками, которым подвергался каждый образец.

3. Зарисовать структуры в кружке диаметром 50 мм. Подписать наименование структурных составляющих за пределами кружка и соединить их стрелками с соответствующими частями рисунка.

4. Определить виды сталей, представленных в коллекции в зависимости от содержания в них углерода.

5. Сделать вывод какой вид термической обработки для исследуемых сталей оптимальный.

Контрольные вопросы

1. Что называется легированными сталями?

2. Как классифицируются легирующие элементы по их влиянию на существование α и γ модификаций?

3. Отношение легирующих элементов к углероду.

4. Влияние легирующих элементов на свойства феррита.

5. Влияние легирующих элементов на превращения при закалке и отпуске стали.

6. Классификация легированных сталей.

7. Влияние марганца, хрома, молибдена, никеля на свойства конструкционных легированных сталей.

Таблица 8.1