Материаловедение_лабы

пературе цементации составляет примерно 1,2…1,3% согласно линии SE диаграммы Fе – Fe3C . При переходе от поверхности к сердцевине содержание углерода уменьшается.

Микроструктура цементированного слоя обычно состоит из трех зон (рис. 9.1). Первая, заэвтектоидная, зона состоит из пластинчатого перлита с цементитной сеткой. Вторая зона является эвтектоидной (перлит), третья, или переходная, зона имеет фер- ритно-перлитную структуру.

Рис. 9.1. Микроструктура цементированного слоя. Травление 4%-ным раствором HNO3 в спирте (Х70)

В том случае, если цементации была подвергнута сталь, не со-

держащая кремния, например ки-
пящая, в поверхностном слое обра-
зуется так называемая анормальная
структура (рис. 9.2). Она состоит
из крупнопластинчатого перлита и
грубой цементитной сетки, окру-
женной ферритом. При такой
структуре цементированного слоя
после термической обработки на
поверхности изделий часто встре-
чаются мягкие пятна, поэтому ста-
ли, склонные к образованию анор-
мальной структуры, для цемента-	Рис. 9.2. Анормальная структура в
ции не применяются. За глубину
цементированного слоя принима-	заэвтектоидной зоне цементирован-
	ного слоя. Травление в 4%-ном рас-
ют расстояние от поверхности до	творе ШО3 в спирте (Х1000)

70

конца второй зоны, т.е. до появления в структуре участков феррита. Глубину цементированного слоя можно определить под микроскопом с помощью окуляра-микрометра. Для измерения глубины шлиф устанавливают на предметный столик микроскопа таким образом, чтобы в поле зрения был весь цементированный слой. Вращая окуляр-микрометр, устанавливают его в такое положение, чтобы микрометрическая линеечка была перпендикулярна краю шлифа. Затем, передвигая предметный столик микроскопа, подводят край шлифа к нулевому делению шкалы окуляра-микрометра (рис. 9.3) и отсчитывают число делений, занимаемых цементированным слоем.

Рис. 9.3. Измерение глубины цементированного слоя с помощью окуляра-микрометра

При стократном увеличении микроскопа цена деления окуля- ра-микрометра равна 0,01 мм. Из рис. 9.3 видно, что феррит появляется в структуре приблизительно на 85-м делении, следовательно, глубина цементированного слоя Н будет равна 0,85 мм. Если увеличение микроскопа отлично от 100, то необходимо произвести пересчет. Например, при увеличении микроскопа 63 цементированный слой занимает 55 делений. Для определения глубины слоя х составляют пропорцию:

71

при	63х – 55	делений
при	100х – х

x = 5563100 = 85 делениям, h = x 0,01 =85 0,01 = 0,81 мм.

Термическая обработка цементированных деталей. Спе-

цифика термической обработки после цементации обусловлена тем, что изделие представляет собой двухслойный материал с высокоуглеродистым поверхностным слоем и малоуглеродистой сердцевиной. При назначении режимов термической обработки следует также иметь в виду, что при цементации в результате длительного пребывания деталей при высокой температуре наблюдается значительное укрупнение зерна, а также появление в поверхностном слое избыточного цементита в виде сетки или игл. Крупнозернистое строение сердцевины понижает ее механические свойства, а наличие цементитной сетки и особенно игольчатого цементита придает поверхностному слою излишнюю хрупкость. Для изделий ответственного назначения указанные дефекты должны быть устранены последующей термической обработкой.

Взависимости от назначения изделий термическая обработка после цементации производится по одному из следующих режимов.

1.Для изделий, работающих на истирание при небольших удельных давлениях и не подвергающихся ударным нагрузкам, достаточно иметь только высокую поверхностную твердость.

Вэтом случае рационально производить закалку непосредственно с цементационного нагрева, т.е. от температуры порядка 900°С. В процессе закалки цементированный слой приобретает структуру крупноигольчатого мартенсита. Сердцевина может иметь различную структуру в зависимости от химического состава стали.

При повышенном содержании углерода (0,15…0,25%), а также

улегированных сталей сердцевина имеет после закалки структуру вязкого малоуглеродистого мартенсита, а при содержании углерода на нижнем пределе (< 0,1%) в углеродистых сталях сердцевина не закаливается и сохраняет ферритно-перлитную структуру. Однако и в этом случае быстрое охлаждение после цементации благоприятно сказывается на микроструктуре и свойствах сердцевины, так как образующаяся структура (сорбит закалки) отличается

72

более высокой дисперсностью, что повышает твердость сердцевины по сравнению с твердостью в отожженном состоянии. Для уменьшения внутренних напряжений, возникающих при закалке непосредственно с цементационного нагрева, рекомендуется подстуживание изделий до температуры 800…820°С. Одинарная термическая обработка требует меньше затрат и гарантирует отсутствие обезуглероживания поверхности, которое может наблюдаться при повторных нагревах.

Если после цементации детали были охлаждены на воздухе, то их рекомендуется подвергать закалке от температуры 780…800°С в воде или масле, в зависимости от марки стали. При эвтектоидной структуре поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита (рис. 9.4, а), а при заэвтектоидной структуре (рис. 9.4, б) – мартенсита с цементитной сеткой. Сердцевина остается крупнозернистой и имеет ферритно-перлитную или мар- тенситно-ферритную структуру, в зависимости от химического состава стали и размеров детали (рис. 9.4, в).

а

б

в

Рис. 9.4. Микроструктура цементированной детали после закалки от температуры 780 – 800°: а – поверхностный слой при эвтектоидном составе: мелкоигольчатый мартенсит; б – поверхностный слой при заэвтектоидном составе: мартенсит + цементитная сетка; в – сердцевина: феррит + мартенсит. Травление 4%-ным раствором HМO3 в спирте (Х200)

73

2. Изделия, несущие значительную ударную нагрузку, обычно охлаждаются после цементации на воздухе.

Режим термической обработки зависит от микроструктуры цементированного слоя.

При эвтектоидной структуре поверхностного слоя применяется двойная термическая обработка, состоящая из нормализации и закалки. Нормализация производится при температуре 880…910°С с целью измельчения зерна сердцевины. Для придания поверхностному слою высокой твердости необходимо произвести закалку от температуры 780…800°С в воде или масле, в зависимости от марки стали. После закалки поверхностный слой имеет структуру мелкоигольчатого мартенсита, а сердцевина сохраняет мелкозернистое строение. Структура сердцевины будет состоять из феррита и перлита или феррита и мартенсита, в зависимости от марки стали и размеров изделия.

При заэвтектоидной структуре поверхностного слоя применяется двойная закалка. Первая производится от температуры 880…900°С для измельчения зерна сердцевины и устранения цементитной сетки в поверхностном слое. В процессе закалки сердцевина претерпевает перекристаллизацию, в результате чего ее зерно измельчается. Одновременно с этим при нагревании в цементированном слое цементитная сетка растворяется в аустените. Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы предотвратить выделение цементита по границам зерен в виде сетки. С целью уменьшить внутренние напряжения, возникающие при закалке, охлаждение ведется в масле независимо от марки стали. Вторая закалка производится от температуры 780…800°С для получения высокой поверхностной твердости. После двойной закалки поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита с зернистым цементитом (рис. 9.5, а), а структура сердцевины (рис. 9.5, б) аналогична предыдущему случаю (феррит + перлит или феррит + мартенсит).

Если в процессе цементации поверхностный слой приобрел заэвтектоидную структуру, но цементитная сетка образовалась очень тонкая, то на практике часто ограничиваются нормализацией и закалкой от температуры 780…800°С.

После всех приведенных вариантов термической обработки цементированные изделия подвергаются низкому отпуску при 180…200°С. Твердость цементированного слоя после закалки и

74

низкого отпуска должна быть не ниже 62НRС, а твердость сердцевины зависит от марки стали и размера изделия.

а

б

Рис. 9.5. Микроструктура цементированной детали после двойной закалки: а – поверхностный слой: мартенсит + зернистый цементит; б – сердцевина; феррит + мартенсит. Травление 4%-ным раствором HМO3 в спирте (Х200)

Если требуется поверхностная твердость менее 54НRС…56НRС, то к цементации прибегать нерационально. Такую твердость можно получить путем индукционной закалки, соответственно подобрав марку стали.

9.3.Порядок выполнения работы

1.Получить цементированный образец и микрошлиф.

2.Измерить твердость цементированного слоя на приборе Роквелла по шкале С (алмазным конусом) и сердцевины по шкале

В(шариком).

3.Изучить под микроскопом при увеличении 210 микроструктуру цементированного образца, а при увеличении 100 определить глубину цементации с помощью окуляра-микрометра. За глубину цементированного слоя принять расстояние от края образца до появления участков феррита.

4.Зарисовать структуру цементированного образца в секторе радиусом 6…8 см.

5.На основании микроструктурного анализа и задания, выданного преподавателем, назначить режим термической обработки. Провести назначенную термическую обработку.

75

6.Измерить твердость поверхности и сердцевины образца на приборе Роквелла по шкале С.

7.Пользуясь альбомом микрофотографий, определить микроструктуру сердцевины и поверхностного слоя образца после термической обработки.

8.Зарисовать структуру цементированного образца после термической обработки в секторе радиусом 6…8 см.

9.Данные испытаний свести в табл. 9.1.

Та б л и ц а 9.1

	Глубина цементи-	Микроструктура		Твердость по Роквеллу
Область образца	рованного слоя,
		после це-	после тер-	после це-	после тер-
	мм		мической		мической
		ментации		ментации
			обработки		обработки
Сердцевина
Цементированный
слой

9.4.Содержание отчета

1.Режим термической обработки цементированного образца

суказанием назначения каждой операции.

2.Результаты испытания в виде таблицы.

3.Левая часть диаграммы «железо–углерод» с указанием на ней состава сердцевины и поверхностного слоя и температур термической обработки.

4.Выводы по работе.

9.5.Вопросы для самопроверки

1.Чем отличается химико-термическая обработка от термической?

2.Что понимается под толщиной упрочненного слоя?

3.В каких случаях применяется цементация?

4.При каких температурах проводится процесс цементации? Почему?

5.Чем определяется выбор режима термической обработки после насыщения поверхностного слоя стали углеродом?

76

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

10.1.Цель работы

1.Изучить влияние легирующих элементов на свойства стали, классификацию и маркировку легированных сталей, ознакомиться с технологиями их упрочнения.

2.Исследовать зависимость между структурой и свойствами заданных легированных сталей.

3.Ознакомиться с областями применения легированных конструкционных, инструментальных сталей и сплавов, сталей с особыми физическими и химическими свойствами.

10.2.Теоретическое обоснование работы

Классификацию легированных сталей проводят по различным признакам: по назначению, качеству, составу, структуре, категориям прочности.

По назначению легированные стали делятся на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами.

По структуре после охлаждения на воздухе различают перлитные стали, характеризующиеся низким содержанием легирующих элементов и соответственно невысокой устойчивостью переохлажденного аустенита; мартенситные стали со средним содержанием легирующих элементов и соответственно высокой устойчивостью аустенита; аустенитные, содержащие большое количество легирующих элементов, расширяющих область существования железа с решеткой ГЦК и сохраняющие аустенитную структуру при комнатной температуре; ферритные, содержащие большое количество легирующих элементов, расширяющих область существования железа с решеткой ОЦК и сохраняющие ферритную структуру до температуры плавления; карбидные, содержащие карбидообразующие легирующие элементы (хром, вольфрам, молибден и др.) в значительном количестве при повышенной концентрации углерода.

По количеству легирующих элементов различают низколегированные стали, содержащие до 2,5% легирующих элементов,

77

среднелегированные – от 2,5 до 10 % и высоколегированные, содержащие более 10 % легирующих элементов.

Принципы маркировки сталей в России. В России принята буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей. Каждая марка содержит определенное сочетание букв и цифр. Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита: X – хром, Н – никель, В – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, Т – титан, Ю – алюминий, Д – медь, Г – марганец, С – кремний, К – кобальт, Ц – цирконий, Р – бор, Б – ниобий. Буква А в середине марки показывает содержание азота, а в конце – что сталь высококачественная.

Для конструкционных марок первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание легирующего элемента больше 1 %, то после буквы указывается его среднее значение в целых процентах. Если содержание легирующего элемента около 1 % или меньше, то после соответствующей буквы цифра не ставится.

В качестве основных легирующих элементов в конструкционных сталях применяют хром до 2 %, никель 1…4 %, марганец до 2 %, кремний 0,6…1,2 %. Такие легирующие элементы, как Мо, W, V, Ti, обычно вводят в сталь в сочетании с Cr, Ni с целью дополнительного улучшения тех или иных физико-механических свойств. В конструкционных сталях эти элементы обычно содер-

жатся в следующих количествах, %: Мо 0,2…0,4;	W 0,5…1,2;
V 0,1…0,3; Ti 0,1…0,2.
Например, сталь 18ХГТ содержит, %:	0,17…0,23 С,
1,0…1,3 Сг, 0,8…1,1 Мn, около 0,1 Ti; сталь	38ХНЗМФА

0,33…0,40 С, 1,2…1,5 Сг, 3,0…3,5 Ni, 0,35…0,45 Мо, 0,1…0,18 V; сталь ЗОХГСА 0,32…0,39 С, 1,0…1,4 Сr, 0,8…1,1 Мn, 1,1…1,4 Si.

В инструментальных сталях в начале обозначения марки ставится цифра, показывающая содержание углерода в десятых долях процента. Начальную цифру опускают, если содержание углерода

около 1 % или более.
Например, сталь	ЗХ2В8Ф содержит, %:	0,3…0,4 С,
2,2…2,7 Сr, 7,5…8,5 W,	0,2…0,5 V; сталь 5ХНМ 0	, 5 …0,6 С,

0,5…0,8 Сr, 1,4…1,8 Ni, 0,19…0,30 Мо; сталь ХВГ 0,90…1,05 С, 0,9…1,2 Сr, 1,2…1,6 W, 0,8…1,1 Mn.

Для некоторых групп сталей принимают дополнительные обозначения. Марки автоматных сталей начинаются с буквы А, под-

78

шипниковых – с буквы Ш, быстрорежущих – Р, электротехнических – Э, магнитотвердых – Е.

При маркировке электротехнических сталей (1211, 1313, 2211

ит.д.) первая цифра обозначает класс по структурному состоянию

ивиду прокатки, вторая – содержание кремния, третья – потери на гистерезис, четвертая – группу по основной нормируемой характеристике. Вместе три первые цифры означают тип стали, а четвертая – его порядковый номер.

Вконце обозначения марок особо высококачественных сталей могут стоять буквы, показывающие способы ее дополнительного переплава. Буквы ВД означают, что с целью улучшения качества

сталь была подвергнута вакуумно-дуговому переплаву, буква Ш – электрошлаковому, ПД – плазменно-дуговому, ВИ – вакуум- но-индукционной выплавке.

Литейные стали маркируются в той же буквенно-цифровой системе, что и деформируемые, но в конце марки дополнительно ставится буква Л, что означает литейную сталь.

Если сталь получена по технологии порошковой металлургии, то для инструментальной стали после марки стоят буквы МП (металлургия порошковая), порошковые конструкционные стали (ГОСТ 28378-89) обозначаются так: буква П – принадлежность к порошковому материалу, К – назначение материала (конструкционный), остальные буквы указывают на содержание легирующих элементов. Цифры, стоящие после "ПК", указывают содержание углерода в сотых долях процента, цифры после букв – массовую долю в материале легирующих компонентов; отсутствие цифр означает, что массовая доля компонента меньше или равна 1%. После состава через дефис указывается минимальная плотность материала (г/см3).

Конструкционные легированные стали. Конструкционными называются стали, применяемые для изготовления деталей машин, приборов, конструкций и сооружений. Конструкционные стали делятся на строительные (содержащие С ≤ 0,2%) и машиностроительные (С ≤ 0,5%). В зависимости от содержания углерода и термической обработки стали можно классифицировать на цементируемые, подвергаемые после цементации закалке с низким отпус-

ком – 0,1-0,25% С и улучшаемые – 0,3-0,5% С.

Цементируемые стали предназначены для изготовления деталей, работающих при динамических и знакопеременных нагрузках

79