Мартенсит отпуска. Порядок выполнения работы. Содержание отчета. Задания к лабораторной работе

t, °С  A1

t, °С

М

0                                                               0

τ                                              τ                                                   τ

а                                              б                                                в

Рис. 10.3. Диаграмма изотермического распада аустенита для сталей трех структурных классов: а – перлитного; б – мартенситного; в – аустенитного

Стали мартенситного класса. Они отличаются высокой устойчиво- стью переохлажденного аустенита. Так как с увеличением содержания леги- рующих элементов область перлитного распада сдвигается вправо и охлаж- дение на воздухе приводит к мартенситному превращению (рис. 10.3, б).

К этому классу относятся средне- и высоколегированные стали.

Стали аустенитного класса. Эти стали получают при увеличении со- держания легирующих элементов (Mn, Ni), сдвигая вправо область перлитно- го превращения (рис. 10.3, в). Также у них интервал мартенситного превра- щения ниже 0 °С, поэтому аустенитная структура сохраняется ниже Т = 20–25

°С.

Стали ферритного класса. Эти стали получают введением элементов хром, кремний, вольфрам, ванадий и др. расширяющих α-область.

Легирующие элементы значительно влияют на фазовые превращения в сталях. На рис. 10.4. показаны изменения вида диаграммы Fe–Fe₃C, т. к. элементы Cr, Si, V, Ti и др. уменьшают эвтектоидную концентрацию углеро- да и его предельную растворимость в аустените при всех температурах, сдви- гая точки S и Е влево.

Рис. 10.4. Диаграмма состояния Fe–Fe₃C

 

Повышение содержание легирующих элементов в составе сталей смещает точку S на диаграмме Fe–Fe₃C влево (рис. 10.4), что способствует формированию заэвтектоидной структуры при невысоком содержании угле- рода. Например, ее имеет сталь 40Х13.

2. В отожженном состоянии по структуре, полученной в условиях равновесия, легированные стали делят на классы:

доэвтектоидный – структура: эвтектоид и легированный феррит; эвтектоидный – с перлитной структурой;

 

биды;

заэвтектоидный – структура эвтектоид и избыточные вторичные кар-

 

карбидный – стали этого класса в литом состоянии имеют в структуре

эвтектику – ледебурит при 0,8–1,2 % С, т. к. высокое содержание легирую- щих элементов смещает точку Е на диаграмме Fe–Fe₃C влево (рис. 10.4). На- пример, в стали Х12Ф1, легированной 12 % Cr, ледебурит появляется в структуре при содержании углерода ≈ 1,3 %. Характерно, что небольшое ко- личество ледебуритной эвтектики при пониженном содержании углерода, не снижает способности сплава обрабатываться давлением в горячем состоянии, тогда как нелегированный белый чугун (С > 2,14 %) теряет способность к об- работке давлением даже при малых количествах ледебурита.

По взаимодействию с углеродом в стали, легирующие элементы под- разделяют на две группы:

1) элементы: Si, Ni, Cu, Al, Со растворяются в аустените и не взаимо- действуют с углеродом (нейтральные);

2) карбидообразующие элементы: Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Zr, Ti, (взаимодействующие с углеродом).

При введении в сталь карбидообразующего элемента в небольшом ко- личестве (1–2 %) образования его карбида не произойдет, но атомы леги- рующих элементов частично заменяют атомы железа в решетке цементита. Следовательно, образуется легированный цементит, например, (Fe, Mn)₃С, мало отличающийся по свойствам от обычного цементита.

Хром образует растворимые в аустените карбиды:

– в среднелегированных сталях Cr₇C₃;

–в высоколегированных сталях Cr₂₃C₆.

Хром влияет на общий процесс карбидообразования. При его введе- нии в сталь с W и Мo в соответствующем количестве, появляются сложные карбиды содержащие Cr, W, Mo и Fe.

Их формула М₆С, где символ М показывает сумму металлических элементов в составе карбида.

Карбиды М₆С могут растворяться в аустените при температурах, бо- лее высоких, чем карбиды хрома, и легировать его.

В зависимости от свойств легированных сталей в них присутствуют различные виды и сочетания карбидов.

Низколегированные конструкционные стали перлитного класса. Важ- ное значение в машиностроении имеют конструкционные низколегирован- ные стали. Эти стали относятся к сталям перлитного класса, потому что при охлаждении на воздухе приобретают перлитную структуру.

Совместное воздействие термической обработки и легирования явля- ется эффективным способом повышения механических характеристик стали.

Содержание углерода является еще одним фактором, влияющим не только на структуру и свойства стали, но и на принципы ее классификации по типу термической, химико-термической обработки и назначению.

По количеству углерода низколегированные конструкционные маши- ностроительные стали делятся:

на цементуемые – 0,1–0,3 % С; улучшаемые – 0,3–0,5 % С;

рессорно-пружинные – 0,55–0,8 % С; шарикоподшипниковые – 0,9–1,1 % С.

Цементуемые стали. Стали с содержанием углерода 0,1–0,25 % яв- ляются низкоуглеродистыми и слабо упрочняются закалкой.

Упрочнение этих сталей достигается химико-термической обработкой

(ХТО) – цементацией.

Поверхность заготовки подвергают диффузионному насыщению уг- леродом в твердой и газообразной среде при Т = 1 000–950 °С.

Функциональное назначение низкоуглеродистых сталей – работа в ус- ловиях трения (зубчатые колеса, кулачки, валы, пальцы и т. д.).

Для получения заданного комплекса механических свойств после цементации необходима дополнительная термическая обработка деталей: двойная закалка и низкий отпуск, после чего поверхностный слой приобре- тает структуру отпущенного мартенсита с включениями карбидов и твер- дость 58–62 HRC (рис. 10.5).

 

 

Мартенсит отпуска

Рис. 10.5. Цементованный термообработан- ный слой зубчатого колеса

 

После цементации поверхностный слой содержит более 0,8 % С и имеет структуру заэвтектоидных сталей – перлит и вторичный цементит.

Под поверхностным слоем изделие имеет эвтектоидную концентра- цию углерода и перлитную структуру.

По направлению к сердцевине концентрация углерода уменьшается, структура соответствует доэвтектоидной стали и количество перлита умень- шается.

Сердцевина может приобрести структуру бейнита или троостита, сор- бита и твердость 30–42 HRC.

Марки стали этой группы: 15Х, 20Х, 15Х2, 25ХГМ, 12ХМ3А

Улучшаемые стали. Среднеуглеродистые (0,3–0,5 % С) низколегиро- ванные стали приобретают высокие механические свойства после термиче-

ского улучшения – закалки при температуре 820–880 °С и высокого отпуска при температуре 550–650 °С.

Структура стали после улучшения – сорбит.

Улучшаемые стали имеют высокий предел текучести σ_0,2, малую чув- ствительность к концентраторам напряжений, высокий предел выносливости σ_в и достаточный запас вязкости KCU.

Детали машин из этих сталей работают при ударных и циклических на- грузках (валы, штоки, шатуны и т. д.) иногда при пониженных температурах.

Выбор марки стали (степени легирования) определяется размером термически обрабатываемой заготовки и условиями ее работы.

Марки стали этой группы: 40Х, 45Х, 35ХГСА, 40ХН, 45ХН. Повыше- ние количества легирующих элементов позволяет повысить прокаливае- мость, а значит увеличить поперечное сечение изделий из этих сталей.

Рессоро-пружинные стали. Для обеспечения работоспособности си- ловых упругих элементов применяют стали с повышенным содержанием уг- лерода (0,5–0,7 %).

Недорогие и достаточно технологичные рессорно-пружинные стали широко используют в авто- и тракторостроении, железнодорожном транс- порте и станкостроении.

Эти стали должны иметь высокий предел упругости (текучести), что обеспечивает трооститная структура. Полученная закалкой при 800–850 °С в масле или воде с последующим средним отпуском при 350–520 °С.

Примерные марки стали для рессор сечением до 20 мм – 55С2, 70С3А,

а для пружин и рессор сечением 50–80 мм – 60С2ХА, 60С2Н2А.

Подшипниковые стали. Она относится к специальным сталям, что по- казывает ее маркировка, но используется для ответственных деталей машин и конструкций и является низколегированной сталью перлитного класса.

Для производства шариков, роликов и колец подшипников применяют недорогие технологичные высокоуглеродистые (0,95–1,1 % С) – шарикопод- шипниковые стали.

Работоспособность этих изделий зависит от скорости поверхностного усталостного выкрашивания. Основная защита – высокая твердость и изно- состойкость рабочей поверхности.

Эти свойства обеспечивает структура мелкоигольчатого мартенсита отпуска с равномерно распределенными избыточными карбидами после за- калки в масле и низкого отпуска.

Марки сталей этой группы: ШХ9, ШХ15, а для деталей, прокаливаю- щихся на большую глубину (свыше 30 мм), применяют сталь ШХ15СГ.

Краткие теоретические сведения

Таблица 10.1

 

 

Химический состав сталей для определения вида термической обработки

 

 

Марка стали

Химический состав, %

Номер образца

Вид термической обработки

Твердость

по Бринеллю, НВ

С

Мn

Si

Cr

Ni

Mo

 

30Г

 

0,25–0,35

 

0,7–1,0

 

0,17–0,37

 

0,3

 

0,3

 

До термообработки –

прокат

1 370

Закалка 830–850 °С

Отпуск 350–380 °С

4 300

 

40Х

 

0,35–0,45

 

0,5–0,6

 

0,17–0,37

 

0,8–1,1

 

0,3

 

Отжиг 830 °С

1 700

Закалка 830–860 °С

Отпуск 550–600 °С

2 690

 

35ХМА

 

0,32–0,40

 

0,4–0,7

 

0,17–0,37

 

0,8–1,1

 

0,3

 

0,15–0,25

Отжиг 850 °С

2 070

Закалка 820 °С

6 000

 

45ХНМФА

 

0,34–0,48

 

0,5–0,6

 

0,17–0,37

 

0,8–0,11

 

1,3–1,8

 

0,2–0,3

Закалка 860 °С

6 700

Отпуск 560 °С

2 350

 

 

 

Порядок выполнения работы

1. Рассмотреть под микроскопом все шлифы коллекции.

2. Определить микроструктуру образцов, представленных в табл. 10.1, сопоставить эту структуру с термической или термохимической обработкой, которым подвергался каждый образец.

3. Зарисовать структуры в кружке диаметром 50 мм. Подписать на- именование структурных составляющих за пределами кружка и соединить их стрелками с соответствующими частями рисунка.

4. Определить виды сталей, представленных в коллекции, в зависимо- сти от содержания в них углерода.

5. Сделать вывод о том, какой вид термической обработки для иссле- дуемых сталей будет оптимальным.

6. Ответить на вопросы индивидуального задания.

 

Содержание отчета

Отчет о лабораторной работе должен включать:

1) зарисовки микроструктуры легированных конструкционных сталей;

2) ответы на вопросы индивидуального задания.

 

1. В результате термической обработки пружины должны получить высокую упругость. Для изготовления их выбрана сталь 55ГС:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле- ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

2. В результате термической обработки рычаги должны получить по- вышенную прочность по всему сечению (твердость НВ 2 300–2 800). Для из- готовления их выбрана сталь 40ХН:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле- ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

3. В результате термической обработки тяги должны получать повы- шенную прочность по всему сечению (твердость НВ 2300–2800). Для изго- товления их выбрана сталь 30ХГС:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле- ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

4. Сталь 40ХНМА применяется для изготовления ответственных дета- лей больших сечений:

а) расшифровать состав стали;

б) назначить режим термической обработки готовых деталей, обосно- вать его. Объяснить роль молибдена в данной стали в связи с явлением отпу- скной хрупкости.

5. Для изготовления молотовых штампов выбрана сталь 4ХС:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле- ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

6. В результате термической обработки рычаги должны получить по- вышенную прочность по всему сечению (твердость НВ 2 300–2 800). Для из- готовления их выбрана сталь 30ХГСНА:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле- ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

7. Для некоторых деталей (щеки барабанов, шары дробильных мель- ниц и т. д.) выбрана сталь 110Г13:

а) расшифровать состав и определите группу стали по назначению; б) назначить режим термической обработки изделий.

8. Назначить марку стали для изготовления пружин с пределом проч- ности 1 200–1 300 МПа:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле- ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

9. Для деталей, работающих в окислительной атмосфере при 800 °С,

применяется сталь 12Х17:

а) расшифровать состав и определить группу стали по структуре; б) объяснить назначение хрома в данной стали;

в) обосновать выбор стали для данных условий работы.

10. Для изготовления деталей, работающих в активных коррозионных средах, выбрана сталь 12Х18Н9Т:

а) расшифровать состав и определить группу стали по назначению;

б) объяснить назначение введения легирующих элементов в эту сталь;

в) назначить и обосновать режим термической обработки и описать структуру стали после обработки.

11. Назначить марку стали для изготовления пружин с пределом прочности 1600 МПа:

а) расшифровать состав стали;

б) описать влияние легирующих элементов, входящих в сталь, на ре- жим термической обработки и структурные превращения, происходящие при термической обработке.

12. Для изготовления деталей горячих штампов выбрана сталь 5ХНМ:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле- ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

13. В результате термической обработки рессоры должны получить высокий предел упругости. Для изготовления их выбрана сталь 60С2А:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле- ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

14. В результате термической обработки рессоры должны обладать высоким пределом упругости. Для изготовления их выбрана сталь 60СГ:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле- ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

15. В результате термической обработки оси должны получить повы- шенную прочность по всему сечению (твердость НВ 2 300–2 800). Для изго- товления их выбрана сталь 40Х:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле- ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

16. В результате термической обработки валы 60 мм должны получить повышенную прочность по всему сечению (твердость НВ 2 300–2 800). Для изготовления их выбрана сталь 40ХНМА:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле- ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

17. Описать технологию термомеханической обработки (ВТМО) стали

35ХМА для буровых штанг.

18. В результате термической обработки рессоры должны получить высокую упругость. Для их изготовления выбрана сталь 70СЗА:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле- ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

19. В результате термической обработки шестерни должны получить твердый износоустойчивый поверхностный слой при вязкой сердцевине. Для их изготовления выбрана сталь 18ХГТ.

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической и химико-термической обработки, привести его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали. Описать структуру и свойства стали после термической обработки.

20. Для изготовления матриц штампов холодной штамповки выбрана сталь 4ХВ2С. Выполнить применительно к данной стали все условия, приве- денные в задании 19, а также указать, какие свойства материала инструмента обеспечивают его нормальную работу.

21. Для изготовления фрез выбрана сталь Р18. Указать, какие свойства материала инструмента обеспечивают его нормальную работу.

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле- ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

22. Для изготовления фрез выбрана сталь Р10К5Ф5. Указать, какие свойства материала инструмента обеспечивают его нормальную работу.

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле- ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

23. В результате термической обработки шестерни должны получить твердый износоустойчивый поверхностный слой при вязкой сердцевине. Для их изготовления выбрана сталь 12ХН3А.

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической и химико-термической обработки, привести его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали. Описать структуру и свойства стали после термической обработки.

24. Для изготовления пресс-форм выбрана сталь 3Х2В8.

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить и обосновать режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах терми- ческой обработки данной стали. Описать структуру и свойства стали после термической обработки.

25. В машиностроении используется сталь ШХ15.

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан- ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки и привести его обоснова- ние. Описать структуру и свойства стали после термической обработки.