Микроструктурный анализ легированных сталей

2.1. Микроструктура легированных сталей в равновесном состоянии

1. Доэвтектоидные стали имеют структуру феррита и перлита (рисунок 1,а). Количество феррита и перлита в структуре определяется содержанием углерода в стали и концентрацией углерода в эвтектоиде. К этому классу относятся конструкционные стали, например, марок 15Х, 18ХГТ, 18Х2Н4ВА, 3ОХГСА, 40Х и многие другие.

а)	б)

Рисунок 1.- Схемы микроструктуры легированной стали доэвтектоидного класса марки 3ОХГСА после полного отжига от 880^ОС (а- тонкопластинчатый перлит и феррит) и после нормализации от 880^ОС (б- сорбит и феррит) ´600 (сорбит при увеличениях светового микроскопа так, как показан на схеме, не разрешается)

Рисунок 2.- Схема микроструктуры легированной стали эвтектоидного класса марки 70С3А после полного отжига от 860^ОС. Пластинчатый перлит. ´600

2. Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру (рисунок 2). С увеличением содержания легирующих элементов концентрация углерода в перлите снижается и становится значительно меньше 0,8%. Например, сталь марки 70С3А, содержащая 0,66-0,74%С и 2,40-2,80%Si, имеет в отожженном состоянии перлитную структуру.

3. Заэвтектоидные стали имеют структуру, состоящую из перлита и избыточных вторичных карбидов. К этому классу относятся инструментальные стали марок Х, ХГ, ХВГ, ХГСВ и другие. Так сталь ХГ, содержащая 1,30-1,50%С; 1,30-1,60%Сr и 0,45-0,70%Мn, после полного отжига из однофазного аустенитного состояния имеет структуру, состоящую из тонкопластинчатого перлита и сетки избыточных вторич-ных карбидов (рисунок 3,а). Сплошная сетка карбидов снижает механические свойства заэвтектоидных сталей, поэтому они подвергаются отжигу на зернистый перлит (рисунок 3,б).

а)	б)

Рисунок 3.- Схема микроструктуры легированной стали заэвтектоидного класса марки ХГ после полного отжига от 1000^ОС (а- тонкопластинчатый перлит и сетка вторичных карбидов) и отжига на зернистый перлит (б- зернистый перлит и вторичные карбиды округлой формы). ´600

 

4. Ледебуритного класса стали содержат в структуре первичные карбиды, выделившиеся из жидкой фaзы при кристаллизации и входящие в состав эвтектики - ледебурита. Легирующие элементы могут настолько сильно уменьшить растворимость углерода в аустените, что при концентрации его менее 1% возможно образование ледебурита в стали. Например, в литой быстрорежущей стали марки Р18, содержащей 0,70-0,80%С; 17,5-19,0%W; 1,0-1,4%V и 3,8-4,4%Cr, присутствует ледебурит, имеющий в вольфрамовых сталях "скелетообразный" вид. Ледебурит состоит из пластинок карбидов, чередующихся с аустенитом.

При охлаждении в процессе кристаллизации перитектическое превращение (жидкость+d-феррит®аустенит) не успевает завершиться, и в структуре сохраняется некоторое количество d-феррита, который в быстрорежущих сталях при дальнейшем охлаждении претерпевает эвтектоидный распад с образованием d-эвтектоида, состоящего из тонкодисперсной смеси аустенита и карбидов. Из-за большой измельченности d-эвтектоид сильно травится, имеет вид темных кристаллов округлой формы и плохо отличим в оптическом микроскопе от перлита (рисунок 4,а).

 

а)	б)

Рисунок 4.- Схема микроструктуры легированной стали ледебуритного класса марки Р18 в литом состоянии (а- ледебурит, аустенит и эвтектоид) и после обработки давлением - ковки и отжига (б- крупные первичные и мелкие вторичные карбиды, мелкозернистый перлит). ´600

 

Карбиды, образовавшиеся в процессе кристаллизации и входящие в состав ледебурита, называются первичными.

По структуре стали ледебуритного класса следовало бы рассматривать как белые чугуны. Однако в результате пониженного содержания углерода они по свойствам значительно ближе к стали, чем к чугунам, что позволяет рассматривать их как стали. Ледебуритные стали обладают более высокой пластичностью, чем белые чугуны, поэтому путем горячей обработки давлением удается раздробить ледебуритную эвтектику и повысить свойства стали за счет равномерного распределения карбидов. Структура кованой и отожженной быстрорежущей стали Р18 состоит из крупных первичных карбидов, более мелких вторичных и мелкозернистого перлита, состоящего из легированного феррита и эвтектоидных карбидов (рисунок 4,б).

К ледебуритному классу относятся инструментальные стали - быстрорежущие марок Р9, Р12, Р18, Р9Ф5, Р10К5Ф5 и для штампов холодной штамповки марок Х12, Х12Ф1, Х12М.

5. Аустенитного класса стали содержат большое количество легирующих элементов, которые расширяют область аустенита, повышая его устойчивость, и резко сужают область существования феррита.

Элементами, стабилизирующими аустенитную структуру, являются никель, марганец, медь, азот и углерод. При достаточном их содержании сталь не претерпевает фазовых превращений и сохраняет аустенитную структуру при охлаждении до комнатной температуры.

 

Рисунок.5.- Схема микроструктуры легированной стали аустенитного класса марки 12ХН18Н9Т после закалки от 1050^ОС в воде. Аустенит. ´600. (Травление в электролите, содержащем 10 г щавелевой кислоты и 100 мл воды, при плотности тока 0,1 А/см^2 в течение 35-45 с)

Для аустенитной структуры характерно наличие внутри зерен прямолинейных границ двойникования. На рисунке 5 показана структура стали 12Х18Н9Т закаленном состоянии. При медленном охлаждении от 1050^ОС из аустенита выделяются по границам зерен карбиды, снижающие механические свойства. Поэтому стали аустенитного класса часто применяются в однофазном состоянии. аустенита, которое получается пу-

 

тем растворения карбидов при нагреве и последующей закалки в воде. Стали аустенитного класса в зависимости от химического состава могут быть нержавеющими (12Х18Н9Т, 08Х18Н12Т, 04Х18Н10), жаропрочными (08Х18Н10Т, 45Х14Н14В2М), износостойкими (Г13), а также обладать другими особыми свойствами.

Жаропрочность определяется силами межатомного взаимодействия при повышенных температурах, а так как плотность упаковки атомов в аустените максимальная, то стали аустенитного класса обладают наибольшей жаропрочностью. Хром и никель являются основными легирующими компонентами этих сталей. Хром определяет окалиностойкость, а никель - устойчивость аустенита.

В хромоникелевых нержавеющих сталях из-за наличия углерода могут образоваться специальные карбиды, преимущественно типа М₂₃С₆. Выделение карбидов происходит по границам зерен, что при определенных условиях приводит к появлению особого вида коррозионного разрушения по границам зерен, называемого межкристаллитной коррозией.

Благодаря аустенитной структуре эти стали немагнитны, имеют высокую пластичность и многие из них хорошо штампуются в холодном состоянии.

6. Ферритного класса стали имеют высокую концентрацию легирующих элементов, сужающих область аустенита и расширяющих область феррита. К таким элементам относятся: хром, кремний, алюминий, молибден, вольфрам, ванадий, титан и другие.

Для получения перлитной структуры сталь должна иметь минимальное (до 0,1-0,2%) содержание углерода, расширяющего область аустенита. Структура этих сталей состоит, в основном, из легированного феррита, не превращающегося в аустенит при нагреве вплоть до температуры плавления. На рисунке 6 показана микроструктура трансформаторной стали марки Э42, которая вследствие низкого содержания углерода (менее 0,05%) и высокой концентрации кремния (3,8-4,8%) не имеет аллотропического превращения a«g и поэтому относится к ферритному классу.

 

Рисунок 6.- Схема микроструктуры легированной стали ферритного класса марки Э42. Феррит. ´600

Электротехническая сталь имеет по ГОСТу специальную маркировку. Первая цифра за буквой Э показывает примерное содержание кремния в %. Вторая цифра характеризует уровень электротехнических и магнитных свойств (чем цифра больше, тем свойства выше). Кремний, растворяясь в феррите, резко увеличивает электросопротивление и тем самым снижает потери на вихревые токи и гистерезис.

 

При высоком содержании хрома, кремния и алюминия стали ферритного класса являются жаростойкими (окалиностойкими), так как эти элементы способны образовывать на поверхности детали плотные пленки окислов, препятствующие проникновению кислорода и образованию окалины. К жаростойким относятся стали марок Х17, ОХ17Т, Х25Т, Х28, 1Х12СЮ, Х18СЮ и другие. Стали ферритного класса в качестве жаропрочных не применяются, так как феррит имеет более низкую плотность упаковки атомов в решетке, чем аустенит. Благодаря ферритной структуре, эти стали обладают фeppoмагнитными свойствами.

2.2. Микроструктура легированных сталей после охлаждения на воздухе из аустенитного состояния

1. Перлитного класса стали имеют сравнительно малое содержание легирующих элементов, вследствие чего их критическая скорость закалки оказывается выше скорости охлаждения на воздухе. Поэтому при охлаждении на воздухе происходит распад аустенита диффузионным путем с образованием перлитных структур (перлит, сорбит или троостит), которые отличаются друг от друга различной дисперсностью пластин карбидов и легированного феррита.

К сталям перлитного класса относится большинство конструкционных и инструментальных сталей: 20Х, 40Х, 3ОХГСА, Х, ХГ, ХВГ, 9ХС и другие. На рисунке 1,б показана микроструктура стали 30ХГСА в нормализованном состоянии. При ускоренном охлаждении на воздухе весь феррит не успевает выделиться из аустенита, который превращается в сорбит. Поэтому после нормализации зерен феррита значительно меньше, чем после полного отжига.

2. Мартенситного класса стали содержат больше легирующих элементов по сравнению со сталями перлитного класса. Легирующие элементы, повышая устойчивость переохлажденного аустенита к распаду, настолько снижают критическую скорость закалки, что она оказывается меньше скорости охлаждения на воздухе.

Рисунок 7.- Схема микроструктуры легированной стали мартенситного класса марки 20X13 после нормализации от 1050^ОС. Мартенсит и остаточный аустенит. ´600. (Травление в электролите, содержащем 5-10 г щавелевой кислоты и 100 мл воды, при плотности тока 0,1 А/см^2 в течение 60-80 с)

Поэтому при охлаждении на воздухе сталь закаливается на мартенситную структуру (рисунок 7). К мартенситному классу относятся стали марок 20Х2Н4А, 20Х13, 30X13, 50X13, Р9, Р6М5, Р18 и другие. 3. Аустенитного класса стали содержат большое количество легирующих элементов, которые снижают температуру начала мартенситного превращения в область отрицательных температур и настолько повышают устойчивость аустенита, что он после охлаждения на воздухе совершенно не распадается при комнатной температуре. К аустенитному классу

относятся стали марок 12Х18Н9Т, Г13, 45Х14Н14В2М и другие (см. рисунок 5).

 

4. Для сталей карбидного класса условным признаком является уже не основная структура образца диаметром 15-20 мм, охлажденного на воздухе от аустенитного состояния, а присутствие значительного количества карбидов, которые образуются при наличии в стали большого количества углерода и карбидообразующих легирующих элементов.

Легирующие элементы, растворяясь в цементите, способны образовывать легированный цементит, например, (Fe,Мо)₃С, (Fe,Cr)₃C, (Fe,W)₃C. Легированный цементит и специальные карбиды типа М₆С, M₇C₃, М₂₃С₆ (где М - карбидообразующие элементы), например, Fe₃Mo₃C, Cr₇C₃, Cr₂₃C₆, имеющие сложную кристаллическую решетку, построенную из закономерно расположенных атомов металла и углерода, относятся к карбидам первой группы.

Металлы, для которых отношение атомного радиуса углерода (0,079 нм) к их собственному радиусу меньше 0,59, способны образовывать специальные карбиды типа М₂С и MC (MO₂C, W₂C, WC, VC, TiC и другие), являющиеся фазами внедрения. Эти карбиды имеют сравнительно простую кубическую или гексагональную решетку, построенную из атомов металла, а атомы углерода внедрены в нее. Карбиды, представляющие фазы внедрения, относятся ко второй группе.

Однако в чистом виде перечисленные карбиды в сталях не существуют. Все они растворяют железо, а при наличии нескольких карбидообразующих элементов- и эти элементы. Так, в хромомарганцовистой стали вместо специального карбида хрома Cr₂₃C₆ образуется сложный карбид (Сr,Мn,Fe)₂₃С₆, содержащий в твердом растворе железо и марганец.

Следует отметить, что фазы внедрения значительно труднее растворяются в аустените при нагревании, чем карбиды первой группы и тем более, чем простой цементит Fe₃C. Поэтому для растворения карбидов в аустените легированные стали нагревают при термической обработке до более высоких температур, чем углеродистые стали.

Карбиды повышают износостойкость, твердость и режущие свойства легированных сталей. К карбидному классу относятся инструментальные стали, например, марок Р9, Р18, Х12, Х12Ф1, ХВ5 и многие другие (см. рисунок 4).

5. Ферритного класса стали имеют минимальное содержание углерода при большом количестве легирующих элементов, расширяющих область a-железа (феррита). Такие стали кристаллизуются с образованием структуры легированного феррита, который ни при охлаждении, ни при нагревании не превращается в аустенит (см. рисунок 6).

 

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1. Уясните цель работы.

3.2. Изучите сущность легирования стали, классификацию легирующих элементов, особенности маркировки и принципы классификации легированной стали по составу, назначению, структуре в равновесном состоянии и после охлаждения на воздухе из аустенитного состояния.

3.3. Сопоставьте микроструктуру легированных сталей.

3.4. Изобразите схемы микроструктур различных классов легированной стали.

3.5. Выполните микроструктурный анализ различных классов легированной стали.

3.6. Составьте отчет о работе.

 

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

- Цель работы.

- Определение легированной стали.

- Классификация легирующих элементов.

- Особенности маркировки легированных сталей.

- Принципы классификации легированной стали по структуре в равновесном состоянии и после охлаждения на воздухе из аустенитного состояния.

- Схемы микроструктур различных классов легированной стали.

- Микроструктурный анализ различных классов легированной стали.

-

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

- 1. Какие стали называются легированными?

- 2. Какие легирующие элементы является карбидо- и некарбидообразующими?

- 3. Как маркируются легированные стали?

- 4. По каким признакам классифицируют легированную сталь?

- 5. На какие группы подразделяются легированные стали по назначению?

- 6. На какие классы делятся легированные стали по структуре в равновесном состоянии?

- 7. Какие легирующие элементы содержат стали аустенитного и ферритного классов?

- 8. На какие классы делятся легированные стали по структуре после охлаждения на воздухе из аустенитного состояния?

- 9. Какие стали относятся к ледебуритному классу?

- 10. Какие стали относятся к карбидному классу?

-