Изучение структуры и свойств легированных сталей

 

Цель работы: научиться производить микроанализ легированных сталей и сплавов, установить связь между структурой, термообработкой и свойствами.

 

Содержание работы

1. Изучить и зарисовать микроструктуры образцов стали и сплавов, предложенных для изучения (указать марку, химический состав, обработку, структурные составляющие).

2. Изучить микроструктуры стали Р18Д2ХНЗА, 1Х18Н9Т и превращения, имеющие место при соответствующей термической обработке.

3. Указать перечень легирующих компонентов наиболее часто вводимых
в состав стали и их влияние на изменение свойств сталей.

 

Оборудование и материалы

Для проведения работы необходимо иметь: металломикроскоп (МИМ – 6 или МИМ – 7); набор микрошлифов легированных конструкционных и инструментальных сталей; полировально-шлифовальную установку; реактивы для травления и пасту ГОИ; ванночки для травления; вату и спирт для просушки шлифов; альбом с фотографиями микроструктур легированных, конструкционных и инструментальных сталей.

Микроструктура легированных сталей в отожженном и нормализованном состояниях определяется взаимодействием легирующего элемента с железом и углеродом и количественным соотношением легирующего элемента и углерода в стали.

Легирующие элементы оказывают различные влияния на устойчивость α – и γ – растворов железа.

Так, например, углерод, марганец, никель и некоторые другие элементы повышают точку А₄ и снижают точку А₃ , расширяя тем самым область γ – фазы и сужая область α – фазы. Вольфрам, кремний, хром, ванадий и другие элементы снижают точку А₄ и повышают точку А₃ , что приводит к сужению области γ – фазы и расширению области α – фазы.

По взаимодействию с углеродом легирующие элементы могут быть разделены на следующие группы:

1. Элементы, не образующие карбиды: никель, медь, кремний, кобальт.

2. Элементы, образующие прочные карбиды: хром, марганец, молибден, вольфрам, титан и др. Карбиды этих элементов характеризуются большой устойчивостью по сравнению с карбидом железа (цементитом).

Легирующие элементы, как правило, тормозят рост зерна аустенита при нагреве, поэтому легированную сталь можно обрабатывать в более широком интервале, чем углеродистую, не опасаясь перегрева.

Состав, марки и классы сталей, рекомендуемые для микроскопического исследования, могут быть следующие.

Хромоникелевая сталь 12Х3А. Химический состав: 0,1 – 0,16% С; 0,3 – 0,6% Mn; 0,6 – 0,9% Cr; 2,8 – 3,2% Ni.

Сталь цементуемая. Хром специальных карбидов в стали не образует, а легирует феррит и цементит. Никель полностью растворяется в феррите.

После цементации сталь подвергается термической обработке. Структура поверхностного слоя стали 12ХН3А – мартенсит и остаточный аустенит (светлые мелкие зерна) Рисунок 1.

Структура сердцевины – мартенсит.

Рисунок 1 - Сталь 12ХНЗА после закал­ки с 860°С и отпуска при 150°С (край). Травление-4"%-ным раство­ром HN03 в спирте..X500

Рисунок 2 - То же самое, что на рисунке 1, (сердцевина).

.

Хромоникелевая сталь 1Х18Н9Т. Химический состав: 0,12% С; 17 – 20% Cr; до 0,8% Ti, 8 – 11% Ni.

Микроструктура стали после закалки состоит из зерен аустенита с наличием двойников и небольшого количества карбидов TiC рисунок 3.

Легирующие компоненты в стали влияют следующим образом: хром придает коррозионную стойкость, никель создает аустенитную структуру, а титан предотвращает межкристаллическую коррозию, которая нарушает связь между зернами.

Сталь 1Х18Н9Т кислостойкая, не поддающаяся межкристаллической коррозии.

Рисунок 3 - Нержавеющая сталь 1Х18П9Т. Закалка с 1080° С в воде. Зерна аустенита и карбида ТiС. Травление в растворе 3 части НC1 и 1 часть HNO₃. х100.

Марганцовая сталь Г13. Химический состав: 1,0 – 1,3% С; 12 – 14% Mn.

При комнатной температуре в условиях равновесия в сплаве должны присутствовать две фазы: γ – раствор и карбид марганца (Mn₃C).

При высоких температурах присутствует только γ – раствор. Получение состояния, отвечающего диаграмме фазового равновесия в присутствии высокого содержания марганца очень затруднительно, так как марганец способствует резкому переохлаждению аустенита. В литом состоянии микроструктура стали характеризуется аустенитом и карбидом.

Рисунок 4 - Микроструктура образца стали Г13 после закалки. Травление царской водкой с глицерином. Х150.

Рисунок 5 - Микроструктура -образца стали марки Р18 после литья. Трав­ление 3%-ным раствором азотной кислоты. X 2000

После закалки от температуры 1000 – 1050⁰ С с охлаждением в воде фиксируется аустенитная структура, что сообщает изделию, изготовленному из этой стали, высокую стойкость при истирании и высокую пластичность. Микроструктура образца стали Г13 после закалки приведена на рис. 4. На зернах аустенита имеются линии сдвига, образование которых объясняется тем, что эта сталь легко наклепывается даже при малых степенях деформации, имеющей место при изготовлении шлифа.

Инструментальная быстрорежущая сталь Р18. Химический состав: 0,7 – 0,8% С; 3,8 – 4,4% Cr; 17,5 – 19,0% W; 1,0 – 1,4% V;0,4% Mn; 0,4% Si.

На рис. 5 показана микроструктура образца в сыром состоянии. Она характеризуется ледебуритной составляющей и аустенитом.

Микроструктура стал после ковки и отжига, приведенная на рис. 6, характеризуется сорбитом и карбидами.

После закалки с высоких температур микроструктура состоит из зерен аустенита, находящегося в стадии распада на мартенсит, небольшого количества карбидов, преимущественно первичных, не перешедших при нагреве под закалку в твердый раствор рис. 7.

После тройного отпуска аустенит распадается и микроструктура характеризуется мартенситом и карбидами рис. 8.

Рисунок 6 - Микроструктура образца стали -Р18 после прокатки и отжи­га. Травление 3%-ным раствором азотной кислоты. Х2000

Рисунок 7 - Микроструктура образца стали Р18 после закалки. Травление царской водкой с глицерином. Х1600

Сплавы на никелевой основе. С очень многими элементами никель образует двойные и тройные твердые растворы (Ni – Fe, Ni Cr – Ti, Ni – Cr – Mo) и промежуточные фазы, которые обладают ценными свойствами. В качестве добавки к никелю используется медь, алюминий, хром, железо, титан в количествах, обеспечивающих получение устойчивости структуры твердого раствора. Например, сплавы типа нихрома идут для изготовления элементов сопротивления, нагревателей, термопар.

После закалки и старения рис. 9 структура состоит из зерен твердого хрома и других элементов в никеле с наличием следов двойникования и небольшого количества карбидов титана TiC.

 

Рисунок 8 - Микроструктура образца стали Р18 после закалки и тройного отпуска. Травление царской водкой с глицерином. Х2000

Рисунок 9 - Сплав ХН80Т. Закалка с 1080° С и старение при 700° С. Х600

Контрольные вопросы

1.Классификация и маркировка стали:

а) по назначению;

б) по содержанию легирующих элементов;

в) по химическому составу.

2. Дать характеристику конструкционным легированным сталям и их
маркировку с полной расшифровкой: 15Х, 38Х, 50ХФА,.50Г.

3. Дать характеристику инструментальным легированным сталям и их
маркировку с полной расшифровкой: ХВ5; XI2; 9ХС.

4. Указать свойства жаропрочных и магнитных сталей и область их применения.

5. Обозначение сталей специального назначения.

 

Тема 1.5 Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов

Практическая работа 3