II. Теоретическое обоснование.

Классификация и маркировка легированных сталей

В предыдущих работах изучались структура и свойства углеродистых сталей. Кроме них существует большое количество легированных сталей, в которые для получения требуемых свойств вводятся специальные легирующие элементы. Наиболее распространенными легирующими элементами в сталях являются Cr (в маркировке обозначается буквой Х), Ni (H), Mn (Г), Si (C), W (B), V (Ф), Ti (Т), Al (Ю). Цифры после букв в марках легированных сталей указывают процентное содержание данного элемента (если цифра отсутствует, то содержание этого элемента не превышает 1,0...1,5 %). Цифры в начале марки - среднее содержание углерода в сотых долях процента (в высокоуглеродистых инструментальных сталях - в десятых долях процента).

Структура и свойства легированных сталей зависят от индивидуальных особенностей легирующих элементов (и, конечно, углерода) и их количества. Остановимся на двух важных для практики закономерностях, проявляющихся при легировании сталей.

1. Все легирующие элементы (кроме Со), растворяясь в аустените, замедляют скорость его распада в области перлитного превращения, т.е. смещают вправо линии С - диаграммы (см. рис. 6.1), соответственно снижается критическая скорость закалки V_кр.

2. Все легирующие элементы (кроме Со и Al) снижают температуру начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения (особенно эффективно - Mn, Cr, Ni). Эти две тенденции (смещение линий распада переохлажденного аустенита и температуры М_н с увеличением степени легирования) отражены на рис. 7.1. На этом же рисунке (а, б, в) проведена линия, наклон которой характеризует скорость охлаждения (V_охл) образцов стали на спокойном воздухе (нормализация). Этот рисунок поясняет принятую классификацию легированных сталей по структуре после нормализации. При относительно небольшом содержании легирующих элементов (5...6 %) охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита на феррито-цементитные смеси (перлит, сорбит, троостит) - рис. 7.1,а; такие стали относятся к перлитному классу. При повышенном содержании легирующих элементов V³V_кр, а М_н>20 °С, следовательно, при комнатной температуре нормализованная сталь имеет мартенситную структуру (мартенситный класс). При большом содержании легирующих элементов (особенно Мn, Ni) М_н сдвигается в область отрицательных температур, поэтому при нормальных температурах стали имеют аустенитную структуру (аустенитный класс). Очевидно различие механических свойств сталей, принадлежащих к этим структурным классам[40].

Следует, однако, отметить, что подавляющее большинство сталей, применяемых в машиностроении, относится к перлитному классу, поскольку они имеют наименьшую стоимость из-за невысокой степени легирования. Механические свойства этих сталей, как и углеродистых, определяются в основном содержанием углерода. Поэтому сходна и классификация этих сталей по назначению [41] (см. работу 4): низко‑ и среднеуглеродистые легированные стали относятся к группе конструкционных (ГОСТ 4543-71), высокоуглеродистые - инструментальные (Х, 9ХС, ХГ, ХВГ и др. ГОСТ 5950-2000). Кроме этих двух классов (по назначению) различают еще стали и сплавы с особыми свойствами (коррозионно- и износостойкие, жаропрочные, с особыми физическими свойствами и др.), но это, как правило, высоколегированные (>12 %) сплавы аустенитного, мартенситного и ферритного классов.

Конструкционные машиностроительные стали в зависимости от содержания углерода (и соответственно механических свойств, получаемых после термической обработки) подразделяют на цементуемые и улучшаемые. Цементуемые - это стали с низким (0,1...0,25 %) содержанием углерода (12ХН3, 18ХГТ, 18Х2Н4МА,...), которые после цементации, закалки и низкого отпуска приобретают высокую твердость (и износостойкость) поверхностного слоя и сохраняют вязкую (и достаточно прочную) сердцевину. Эти стали в основном применяются для изготовления шестерен. Улучшаемые - это среднеуглеродистые (0,3...0,5 % C) стали (30Х, 30ХГС, 38ХМЮА, 40ХН,...), изделия из которых подвергаются улучшению - закалке и последующему высокому отпуску (см. работу 6). Такая термообработка обеспечивает изделиям из этих сталей (валы, оси, штоки, шатуны и другие ответственные детали) высокий предел текучести, высокую ударную вязкость и малую чувствительность к концентраторам напряжений.

Прокаливаемость стали

Выше отмечалось, что механические свойства легированных сталей перлитного класса определяются в основном содержанием углерода. Однако даже относительно низкое легирование позволяет значительно повысить такую важную характеристику стали, как ее прокаливаемость.

Прокаливаемость - это способность стали закаливаться (т.е. приобретать мартенситную структуру) на определенную глубину (cравните с закаливаемостью - работа 6). Поскольку основное требование закалки V_охл³V_кр, то прокаливаемость зависит от соотношения скорости охлаждения V_охл и критической скорости закалки V_кр. Если в сердцевине образца V_охл<V_кр, это приводит к несквозной закалке (прокаливаемости) - рис. 7.2.

 

При несквозной прокаливаемости на поверхности образца образуется мартенсит, а в сердцевине (где V_охл<V_кр) - пластинчатые структуры перлитного типа. В результате возникает неоднородность механических свойств по сечению детали, которая сохраняется и после отпуска. В частности, сердцевина будет иметь более низкую ударную вязкость (см. работу 6). Поэтому для ответственных изделий должны применяться стали со сквозной прокаливаемостью. Очевидно, что основной путь повышения прокаливаемости - это уменьшение величины V_кр. Выше отмечалось, что легирование приводит к повышению устойчивости переохлажденного аустенита, соответственно - к сдвигу линий С‑диаграммы вправо (рис. 7.1), а значит к снижению V_кр и повышению прокаливаемости[42]. Поэтому, чем больше диаметр изделия, тем более легированную сталь нужно применять для получения сквозной прокаливаемости.

За глубину прокаливаемости обычно принимают расстояние от поверхности образца до зоны с полумартенситной структурой (50 % мартенсита + 50 % троостита) с высокой твердостью. Твердость сталей с полумартенситной структурой зависит в основном от содержания углерода и в гораздо меньшей степени - легирующих элементов - рис. 7.3.

Для определения прокаливаемости наиболее распространен метод торцовой закалки (ГОСТ 5657-69). Цилиндрический образец определенной формы и размеров нагревают до температуры закалки, а затем охлаждают с торца струей воды в специальной установке. Затем измеряют твердость по высоте образца, начиная с торца. Очевидно, что она убывает в этом направлении в связи с уменьшением скорости охлаждения и постепенным переходом от мартенситной к перлитным структурам. Далее строится график изменения твердости по длине образца L, и с помощью рис. 7.3 определяется критическое расстояние L _кр до полумартенситной зоны. Величина L _кр характеризует прокаливаемость стали данной марки. Однако для практики важнее знать величину критического диаметра D _кр – диаметра образца, прокаливаемого насквозь (в сердцевине полумартенситная структура) в данном охладителе. Значение D _кр определяется по величине L _кр, полученной методом торцовой закалки, с помощью номограммы, приведенной на рис. 7.4 (штриховая линия со стрелками показывает методику опре
деления D _кр по величине L _кр при закалке в различных средах).

Рис. 7.4. Номограмма для определения прокаливаемости (критического диаметра D _кр): а – «идеальная» охлаждающая среда, б – вода,

в – масло, г – воздух

III. Порядок выполнения работы

1. Изучить методику проведения торцовой закалки для определения прокаливаемости стали.

2. Образец конструкционной стали[43] для торцовой закалки в специальном кожухе, предохраняющем от окисления и обезуглероживания, поместить в закалочную печь.

3. Отрегулировать установку для торцовой закалки. Высота свободной струи должна быть 65 мм, расстояние от сопла до торца образца 12,5 мм. Струя воды должна касаться только торца образца и не омывать его цилиндрическую поверхность.4. Провести торцовую закалку нагретого образца. Образец выдерживается под струей воды до полного охлаждения (не менее 10 минут).

5. Сошлифовать закаленный образец с двух противоположных сторон вдоль образующей цилиндра на глубину 0,2...0,5 мм. Измерить твердость (HRC_э) в осевом направлении от торца через каждые 1,5...2 мм. Измерения закончить после того, как твердость перестанет изменяться. Повторить процедуру на противоположной стороне образца. Определить среднеарифметические значения твердости по длине образца. Результаты занести в таблицу.

6. Построить график изменения твердости по длине образца. С помощью рис. 7.3 определить расстояние L_кр до полумартенситной зоны.

7. С помощью номограммы (рис. 7.4) оценить критический диаметр (D_кр) при закалке данной стали в воде и в масле.

 

IV. Содержание отчета

1. Краткие сведения о классификации и маркировке легированных сталей.

2. Прокаливаемость; влияние легирования на ее величину.

3. Сущность методики определения прокаливаемости методом торцовой закалки. Схема установки.

4. Результаты измерений твердости по длине образца после торцовой закалки (таблица и график).

5. Зависимость твердости полумартенситной зоны углеродистых и легированных сталей от содержания углерода (рис. 7.3). Определение твердости полумартенситной зоны исследуемой стали.

6. Методика и результаты определения расстояния L_кр до полумартенситной зоны образца после торцовой закалки.

7. Методика и результаты оценки критического диаметра D_кр при закалке исследуемой стали в воде и в масле. Сравнение значений D_кр, определенных на образцах углеродистой и легированной сталей; краткое объяснение полученных данных.

Литература: [1], c. 141...143, 206...210, 259...262, 267...281, или [2], c. 184, 185, 238, 239, или [3], с. 210...213, 269...270, или [4], с. 262...268, 318...321, 331...337.

Работа 8