3. Порядок выполнения работы.

Исследовать под металлографическим микроскопом стальной образец до химико-термической обработки (цементации). Зарисовать микроструктуру и определить примерное содержание углерода в стали.

Исследовать стальные образцы, подвергнутые газовой цементации, с различной выдержкой в цементационной печи. Зарисовать микроструктуры поверхностного слоя, переходной зоны и сердцевины образцов.

Определить для данного увеличения металлографического микроскопа цену деления масштабной линейки в окуляре (окулярмикрометра).

Измерить глубину цементационных слоев стальных образцов.

Изучить микроструктуру поверхностного слоя стальных образцов, подвергнутых различным видам химико-термической обработки. Зарисовать типичные микроструктуры.

Определить глубину характерных зон упрочненного слоя исследованных образцов.

Подготовить отчет по работе в соответствии с выполненными заданиями. Привести под рисунками микроструктур характеристики слоя (глубину, твердость), а также сведения о структурных компонентах слоя.

Лабораторная работа №11 Легированные стали

1. Цель и содержание работы.

Цель работы: ознакомление с микроструктурами легированных сталей, изучение влияния легирующих элементов на полиморфные превращения железа, процессы карбидообразования, распад аустенита, мартенситное превращение, получение практических навыков определения класса легированной стали.

Содержание работы. Получив коллекцию шлифов, студенты рассматривают под микроскопом МЕТАМ P-1 и зарисовывают микроструктуру каждого образца Изучают альбомы с диаграммами и фотографиями микроструктур, устанавливают зависимость между исследуемой микроструктурой и свойствами стали.

2. Основные понятия.

2.1. Влияние легирующих элементов.

Легированной называется сталь, у которой необходимые механические, технологические или специальные свойства формируются за счет введения легирующих элементов и соответствующей термической обработки. Легирующие элементы оказывают влияние на температуру полиморфного превращения железа С помощью термической обработки достигается необходимая структура.

Основными легирующими элементами в стали являются хром, никель, кремний, марганец, вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и другие элементы.

В настоящее время число марок сталей очень велико, разнообразны их структуры и свойства. Поэтому необходимо знать, как изменяются структура и свойства исходной стали при введении легирующих элементов, уметь правильно выбрать марку стали, которая после соответствующей термической обработки обеспечит необходимые свойства, долговечность изделий в работе.

В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15-20 мм) механические свойства легированных сталей после закалки и отпуска выше, чем углеродистых. Особенно сильно повышаются предел текучести, относительное сужение и ударная

вязкость. Это объясняется тем, что легированные стали обладают меньшей критической скоростью закалки, а, следовательно, лучшей прокаливаемостью Кроме того, после термической обработки они имеют более мелкое зерно и более дисперсные структуры. Из-за большей прокаливаемости и меньшей критической скорости закалки при замене углеродистой стали легированной оказывается возможным проводить закалку деталей в менее резких охладителях - в масле, на воздухе, что уменьшает деформацию изделий и опасность образования трещин. Поэтому легированные стали используют для изготовления не только крупных деталей, но и для изделий небольшого сечения, имеющих сложную форму. Чем выше в стали концентрация легирующих элементов, тем выше ее прокаливаемость

Для достижения высокой прокаливаемости сталь чаще легируют как дешевыми элементами - марганцем, хромом и бором, так и более дорогими - никелем и молибденом. Однако следует иметь в виду, что по достижении необходимой для данного сечения прокаливаемости дальнейшее увеличение в стали легирующих элементов может не улучшить, а, напротив, ухудшить механические, технологические (обработку резанием, свариваемость и др.) свойства стали. Так, увеличение содержания в стали хрома или марганца до 1,0% практически не влияет на порог хладноломкости. Однако при больших их концентрациях порог хладноломкости повышается. В связи с этим содержание легирующих элементов должно быть минимальным, обеспечивающим необходимую для данного сечения и условий охлаждения сквозную прокаливаемость.

Никель повышает сопротивление хрупкому разрушению стали, увеличивая

F пластичность и вязкость, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений и понижает температуру порога хладноломкости. При содержании в стали 1,0% Ni порог хладноломкости снижается на 60-8O⁰C, дальнейшее увеличение концентрации никеля до 3-4% вызывает менее сильное, но все же снижение порога хладноломкости Повышая запас вязкости, никель увеличивает ударную вязкость и работу распространения трещины. Введение 3-4% Ni рекомендуется для обеспечения глубокой прокаливаемости. Никель - дорогой металл, поэтому чаще его вводят совместно с хромом и другими элементами, при этом в предельно минимальном количестве. В сложнолегированных сталях никель также обеспечивает высокое сопротивление хрупкому разрушению.

Легирование стали небольшими количествами (до 0,05-0,15%) V, Ti, Nb и Zr, образующими труднорастворимые в аустените карбиды, измельчает зерно, что понижает порог хладноломкости, повышает работу распространения трещины и уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений. При большом содержании этих элементов прокаливаемость и сопротивление стали хрупкому разрушению уменьшается из-за выделения большого количества карбидов (VC, TiC и др.) по границам зерен.

Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита против отпуска и задерживают коагуляцию карбидов.

После одинаковой температуры отпуска легированная сталь будет иметь более высокую прочность (твердость), но несколько меньшую пластичность и вязкость, чем углеродистая. Легирующие элементы существенно повышают прочность стали после улучшения, упрочняя ферритную основу (в том числе и за счет сохранения большей плотности дефектов строения) и увеличивая дисперсность карбидных частиц. Наиболее сильно упрочняют сталь Cr, Mo и Si.

В связи с этим легированная сталь и в отожженном (нормализованном) состоянии будет обладать большей прочностью, но меньшей пластичностью, чем углеродистая.

Для подавления обратимой отпускной хрупкости сталь легируют молибденом (или вольфрамом), что очень важно для крупных изделий, в которых даже при охлаждении в воде от температур отпуска нельзя устранить эту хрупкость. Кроме того, молибден (вольфрам) повышает прокаливаемость (особенно в сочетании с никелем), устойчивость стали против отпуска и способствует образованию мелкозернистой стали. Молибден значительно улучшает механические свойства стали после цементации (нитроцементации) и повышает твердость и прокаливаемость цементованного слоя, так как стали, содержащие молибден, не склонны к внутреннему окислению при взаимодействии с газовым карбюризатором.

Кремний замедляет процесс отпуска мартенсита и является полезным легирующим элементом для сталей, подвергаемых изотермической закалке. Стали, содержащие кремний, после изотермической закалки имеют высокую вязкость и пониженную чувствительность к надрезу. Это объясняется тем, что в процессе промежуточного превращения возрастает количество высокоуглеродистого остаточного аустенита и повышается вязкое бейнита вследствие уменьшения в -фазе содержания углерода.

Легированные стали можно классифицировать по различным параметрам, в том числе и по структуре в отожженном состоянии и по структуре после охлаждения на воздухе.