Мікроструктура легованих сталей [ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати. скачати Практична робота Тема: Мікроструктура ЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ Мета роботи: навчитися самостійно аналізувати структури і по вигляду визначити структурні складові легованих сталей за допомогою фотографій. Прилади, матеріали та інструменти. Фотографія мікроструктур досліджуваних сталей. Циркуль і лінійка. Рекомендована література: Кузьмін Б.А. Самохоцкій А.І. Металургія, металознавство і конструкційні матеріали. - М., Вищ. Школа, 1997. Леговані стали класифікуються за призначенням, складом, кількістю легуючих елементів та структурою. У залежності від призначення леговані стали діляться на: • Конструкційні сталі (Цементовані, покращувані, пружинно ресорні та ін), які застосовуються для виготовлення деталей машин: • Інструментальні сталі, застосовувані для виготовлення ріжучого, вимірювального і штампового інструменту; • Стали з особливими властивостями, наприклад, нержавіючі, жароміцні жаростійкі і т.д. Низьковуглецеві сталі (цементітную) До низьковуглецевих сталей відносяться сталі з вмістом вуглецю до 0,25%, наприклад, марок 15Г; 20Х; 18ХГТ; 20х2Н4А та ін Леговані низьковуглецеві стали після відпалу мають структуру ферит + перліт, а так само після гарту маловуглецевих мартенсит. Встановлено, що добавки азоту разом з нітрідообразующімі елементами сприяє значному подрібненню зерна і підвищення температури початку зростання зерна аустеніту. Нітриди впливають на властивості стали також шляхом впливу на кінетику перетворення аустеніту і на дисперсне тверднення. Висока пластичність, дрібне зерно і особливо висока температура його росту сприяють отриманню якісних зварних з'єднань листів товщиною від 20 мм - сталь з нітридами алюмінію і до 100 мм (сталь з нітридами ванадію). Низьколегована сталь з нітридних зміцненням задовільно деформується в холодному і гарячому станах. Сталь такого типу характеризується високим опором крихкому руйнуванню і досить низьким порогом хладно ламкості. В даний час для виготовлення різного роду зварних конструкцій деталей і вузлів використовується велика кількість марок маловуглецевих і середньолегованих сталей, відповідних ГОСТ 380-7.1; 5521-67; 6713-75; 1050-75; 19282-73, а також технічним умовам і галузевим стандартам . Відповідно до ГОСТ 19282-73, передбачається випуск 28 марок низьколегованої сталі, що застосовується для зварних конструкцій в промисловому і цивільному будівництві та машинобудуванні. Хімічний склад (%) деяких цементуємих (низьколегованих) сталей (ГОСТ 1050-74 і 4543-71) Марка стали Елементи Інші елементи C Mn Cr Ni 20Х 0,17-0,23 0,5-0,8 0,7-1,0 ≤ 0,25 - 15ХФ 0,12-0,18 0,4-0,7 0,8-1,1 ≤ 0,25 0,06-0,12 V 12ХН2 0,09-0,16 0,3-0,6 0,6-0,9 1,5-1,9 - 12ХН3А 0,09-0,16 0,3-0,6 0,6-0,9 2,75-3,15 - 20Х2Н4А 0,16-0,22 0,3-0,6 1,25-1,65 3,25-3,65 - 18ХГТ 0,17-0,23 0,8-1,1 1,0-1,3 ≤ 0,25 0,03-0,09 Ti 25ХГТ 0,22-0,29 0,8-1,1 1,0-1,3 ≤ 0,25 0,03-0,09 Ti 18Х2Н4МА 0,14-0,20 0,25-0,55 1,35-1,65 4,0-4,4 0,3-0,4 Mo 20ХГНР 0,16-0,23 0,7-1,0 0,7-1,0 0,8-1,1 0,001-0,005 У Цементуємих леговані стали доцільно застосовувати для важко навантажених деталей і в тому числі для деталей, в яких необхідно мати високу твердість і в'язкість поверхневого шару і досить міцну серцевину. У легованих цементуємих сталях, незважаючи на невеликий вміст вуглецю, завдяки значній кількості легуючих домішок, набагато легше отримати при термічний обробці більше високу міцність і в'язкість серцевини через утворення в ній структур бейнита або низкоуглеродистого мартенситу. Тому з них виготовляють відповідальні деталі. Стали хромисті (20Х), хромованадіевой (15ХФ), хромонікелеві (12ХН2). Їх при міняють для виготовлення деталей невеликих і середніх розмірів, що працюють на знос при підвищених навантаженнях (втулки, валики, осі, деякі зубчасті колеса, кулачкові муфти, поршневі пальці і ін). Стали хромонікелеві (12ХН3А, 20Х2Н4А), хромомарганцетітановие (18ХГТ, 25ХГТ), хромонікельмолібденовие (18Х2Н4МА). Їх застосовують для деталей середніх і великих розмірів, що працюють на знос при високих навантаженнях (зубчасті колеса, поршневі пальці, осі, ролики та ін.) Хромонікелеві стали мало чутливі до перегріву, добре прогартовуються, але їх застосовують обмежено через дефіцитності нікелю. Тому у всіх випадках, коли немає крайньої необхідності, хромонікелеві стали замінюють сталями без нікелю. Цементуємих хромомарганцетітановие сталі (18ХГТ, 25ХГТ) є замінниками хромонікелевих сталей. Перевагою сталей 18ХГТ і 25ХГТ є їх спадкова дрібнозернистість (розмір зерна № 6-8). Це технологічне властивість дозволяє значно скоротити загальний технологічний цикл обробки і гартувати деталі з цих сталей безпосередньо з цементаційний (газової) печі з попередніми подстужіваніем. Містять бор сталі (20ХГНР). У конструкційні стали бор вводять в кількості від 0,001 до 0,005% (так зване мікролегування). Бор підвищує щільність злитку, усуває дендритну структуру. Стали з бором легше обробляються під час гарячої пластичної деформації, добре обробляються різанням. Покращувані (середньолеговані) стали Ці сталі називають кращими тому, що їх часто піддають поліпшенню-термічній обробці, що полягає в гартуванні і відпустці при високих температурах. Покращувані сталі повинні мати високу міцність, пластичність, високий межа витривалості, малу чутливість до відпускної крихкості, повинні добре прожарюють. Хімічний склад деяких поліпшуються сталей наведено в таблиці: Хімічний склад (%) деяких поліпшуються середньолегованих сталей (ГОСТ 1050-74 і 4543-71) Марка стали Елементи Інші елементи	C	Mn	Cr	Ni
45Х	0,41-0,49	0,5-0,8	0,8-1,1	≤ 0,25	-
30ХРА	0,27-0,33	0,5-0,8	1,0-1,3	≤ 0,25	0,001-0,005 У
30ХГСА	0,28-0,34	0,8-1,1	0,8-1,1	≤ 0,25	0,9-1,2 Si
45ХН	0,41-0,49	0,5-0,8	0,45-0,75	1,0-1,4	-
40ХН2МА	0,37-0,44	0,5-0,8	0,6-0,9	1,25-165	0,15-0,25 Мо

Хромисті сталі (40Х, 45Х). Б лагодаря високої міцності і досить гарною прокаливаемости ці сталі застосовують для виготовлення колінчастих валів, зубчастих коліс, осей валів, важелів, втулок, болтів, гайок. Деталі з цих сталей гартують в маслі з температури 820-850 ⁰ С. У залежності від пропонованих вимог відпустку деталей проводять при різних температурах.

Хромисті сталі з 0,001-0,005% бору (30ХРА, 40ХР). Вони мають підвищену міцність і прокаливаемость.

Хромокремнемарганцевие сталі (30ХГСА, 35ХГСА). Ці сталі, звані хромансіль. Не містять діфіцітних легуючих елементів. Мають високі механічні властивості. Добре зварюються і замінюють хромонікелеві і хромомолібденовиє сталі.

Хромонікелеві сталі (40ХН, 45 ХН). Вони мають після термічної обробки високу міцність і пластичність і добре чинять опір ударним навантаженням. Міцність сталі надає хром, а пластичність - нікель. Хромонікелеві стали прогартовуються на дуже велику глибину порівняно не тільки з вуглецевими, а й іншими легованими сталями. Зазначені сталі застосовують для виготовлення відповідальних сильно навантажених деталей - для шестерень, валів і т.п.

Хромонікельмбденовая сталь (40ХН2МА). Ця сталь в покращеному стані має високу міцність при гарній в'язкості, високу втомну міцність, глибоко прожарюється; її застосовують для виготовлення сильно навантажених деталей, що працюють в умовах великих знакозмінних навантажень. Поліпшення проводять по режиму: загартування з 850 ⁰ С в маслі, відпустку при 620 ⁰ С.

Пружинно-ресорні стали

Пружинно-ресорні сталі повинні мати особливі властивості у зв'язку з умовами роботи пружин (циліндрових, плоских) і ресор. Пружини та ресори служать для пом'якшення поштовхів та ударів, які діють на конструкції в процесі роботи, і тому основною вимогою, що пред'являються до пружинно-ресорним сталям, є високий межа пружності і витривалості. Цим умовам задовольняють вуглецеві сталі і сталі, леговані такими елементами, які підвищують межа пружності. Такими елементами є Si, М n, Cr, V, W. Специфічним у термічній обробці ресорних листів і пружин є застосування після гарту відпустки при температурі 400-500 ⁰ С (у залежності від сталі). Це необхідно для одержання найбільш високої межі пружності, величина якого при більш низькій або більш високій температурі відпустки виходить недостатньою. Відпустка при температурі 400-500 ⁰ С дає ставлення σ _уп / σ _в приблизно рівне 0,8.

Хімічний склад (%) деяких пружинно-ресорних сталей (ГОСТ 14959 - 69)

Шарикопідшипникові стали

Основний шарикопідшипникової сталлю є сталь ШХ15 (0,95-1-1,05% С; 1,3-1,65% Cr). Заевтектоідное вміст у ній вуглецю і хром забезпечують одержання після гарту високої рівномірної твердості, стійкості проти стирання, необхідної прокаливаемости і достатньої в'язкості.

На якість сталі і термін служби підшипника шкідливо впливають карбідні ізоляція, полосчатость і сітка. На фізичну однорідність стали шкідливо впливають неметалеві (сульфідні і оксидні) і газові включення, макро-і микропористая.

Термічна обробка підшипникової сталі включає операції відпалу, загартування та відпуску. Мета відпалу-знизити твердість і отримати структуру дрібнозернистого перліту. Температура гарту 830-860 ⁰ С, охолодження у маслі. Відпустка 150-160 ⁰ С. Твердість після гарту і відпустки HRC62-65; структура-безструктурна (ськритокрісталлічеських) мартенсит з рівномірно розподіленими дрібними надлишковими карбідами.

Для виготовлення деталей, великогабаритних підшипників (діаметром більше 400 мм.), Що працюють у важких умовах при великих ударних навантаженнях, застосовують цементуємих сталь 20Х2Н4А. Деталі великогабаритних підшипників (кільця, ролики), виготовлені зі сталі 20Х2Н4А, піддають цементації при температурі 930-950 ⁰ С протягом 50-170 годин з отриманням шару глибиною 5-10мм.

Автоматні сталі

Автоматні стали відрізняються від звичайних вуглецевих конструкційних сталей підвищеним вмістом сірки та фосфору.

Хімічний склад (%) деяких автоматних сталей (ГОСТ 1414-54)

Характерною особливістю автоматних сталей є добре обробляється різанням на металорізальних верстатах. Це пояснюється підвищеним вмістом сірки, яка утворює велику кількість включень сірчистого марганцю М nS, порушують суцільність металу, а також тим, що фосфор, розчиняючись у фериті, сильно знижує його в'язкість. При механічній обробці автоматних сталей утворюється коротка, ламка стружка, що особливо важливо при роботі на швидкохідних верстатах-автоматах. Поверхня оброблених деталей виходить чистою і рівною. Стійкість режещего інструменту при обробці автоматних сталей підвищується, а швидкість різання допускається більше, ніж при обробці звичайних вуглецевих сталей.

Недолік автоматних сталей-знижена пластичність, особливо в поперечному напрямку. Це пов'язано з тим, що велика кількість сірчистих включень утворює полосчата структуру. Тому автоматні сталі застосовують для виготовлення маловідповідальних деталей, від яких не потрібно високих механічних властивостей (кріпильні деталі, пальці, втулки і т.п.).

Оброблюваність покращують також присадкою до сталі невеликої кількості свинцю.

Високомарганцовістая зносостійка сталь Г13Л

Ця сталь, що містить 1-1,4% С і 11-14% Мn і відноситься до аустенітного класу, має високий опір зношування. Характерним для неї є те, що висока зносостійкість поєднується з високою міцністю і низькою твердістю [σ ~ 1000 МН / м ² (100 кгс / мм ^2), НВ ​​~ 210] на противагу загартованим інструментальним сталей, в яких опір зносу зумовлено високою твердістю. Висока зносостійкість сталі Г13Л пояснюється зміцненням (наклепом) аустеніту при пластичній деформації в процесі роботи, в результаті якого він у поверхневому шарі перетворюється на мартенсит. У міру зношування цього шару, мартенсит утворюється в наступному шарі і т.д. При підвищених тисків, наприклад при абразивному зношуванні, ця сталь не має достатньо високої зносостійкості. Сталь Г13Л застосовують для трамвайних стрілок, щік камнедробілок, козирків ковшів, черпаків і т.п.

Жаростійкі та жароміцні сталі і сплави

До жаростійким (окаліностойкості) відносять сталі і сплави, що володіють стійкістю проти хімічного руйнування поверхні в газових середовищах при температурах вище 550 º С і працюють у ненавантаженому або слабонавантажених стані.

При високій температурі в умовах експлуатації в середовищі нагрітого повітря, в продуктах згорання палива відбувається окислення сталі (газова корозія). На поверхні сталі утворюється спочатку тонка плівка окислів, яка з плином часу збільшується і утворюється окалина.

Здатність стали чинити опір окисленню при високій температурі називається жаростійкістю (окаліностойкость).

Жаростійкість прийнято характеризувати температурою початку інтенсивного окалиноутворення в повітряному середовищі.

На інтенсивність окислення впливає склад і будова окисної плівки. Якщо вона пориста, окислення відбувається інтенсивно. Якщо щільна-окислення сповільнюється або навіть зовсім припиняється.

Для отримання щільної (захисної) окисної плівки сталь легують хромом, також кремнієм або алюмінієм. Ступінь жаростійкості залежить від кількості знаходиться в сталі легуючого елемента. Так, наприклад, сталь 15х5 з вмістом 4,5-6,0% хрому жаростійкість до температури 700 º С, сталь 12х17 (17% Сr)-до 900 º С, сталь 15х28 (28% Сr)-до 1100-1150 º З (сталі 12х17 і 15х28 є також і нержавіючими). Ще більш високою жаростійкістю (1200 º С) володіють сплави на нікелевій основі з хромом та алюмінієм, наприклад, сплав ХН7ОЮ (26-29% хроіа; 2,8-3,5% алюмінію).

Структура стали на жаростійкість не впливає.

До жароміцним відносять сталі і сплави, здатні працювати в навантаженому стані при високих температурах протягом визначеного часу і які мають у своїй достатньої жаростійкістю.

На відміну від міцності при нормальній (кімнатної) температурі, міцність при високих температурах, тобто опорі механічних навантажень при високих температурах, називають жароміцністю.

Характерним є, не тільки зменшення міцності сталі при високих температурах, а й вплив на міцність сталі при високих температурах тривалості дії прикладеного навантаження. В останньому випадку під дією постійного навантаження сталь «повзе», тому дане явище названо повзучістю. Отже, повзучість-це деформація, безперервно збільшується і завершується руйнуванням під дією постійного навантаження при тривалому впливі температури. Для вуглецевих і легованих конструкційних сталей повзучість спостерігається при температурах вище 350 º С.

Повзучість характеризується межею повзучості. Межа повзучості-це напруга, що викликає деформацію заданої величини (Обачного від 0,1 до 1%) за певний проміжок часу (100, 300, 500, 1000ч.) При заданій температурі.

Межа повзучості позначає σ з трьома числовими індексами: двома нижніми і одним верхнім. Перший нижній індекс означає заданий подовження у відсотках, другий нижній індекс-заданий час випробування в годинах, верхній ІНДЕКС-температуру в С º. Наприклад σ ₀ / ⁶⁰⁰ _300-межа повзучості при допуску на деформацію 0,2% за 300 год випробування при температурі 600 º С.

Крім того, жароміцність характеризують межею тривалої міцності σ-напругою, що викликає руйнування при даній температурі за даний інтервал часу. Наприклад, σ _{^{700100-межа}} тривалої міцності при сточасовом навантаженні при 700 º С.

Факторами, що сприяють жароміцності, являються: висока температура плавлення основного металу; наявність у сплаві твердого розчину і дрібнодисперсна частинок зміцнюючої фази; пластична деформація, що викликає наклеп; висока температура рекристалізації; раціональне легування; термічна і термомеханічна обробка; введення в жароміцні стали таких елементів, як бор, церій, ніобій, Церковний, в десяти, сотих і навіть тисячних частках відсотка.

Жароміцні сталі і сплави класифікують за основним ознакою-температурі експлуатації. У таблиці наведено хімічний склад деяких жароміцні сталей і сплавів

Для роботи при температурах до 350-400 º С застосовують звичайні конструкційні сталі (вуглецеві і малолегованої)

Для роботи при температурі 400-550 º С застосовують сталі перлітного класу 15ХМ1МФ. Для цих сталей основною характеристикою є межа повзучості, так вони призначені головним чином для виготовлення деталей котлів та турбін (наприклад, труби паропроводів і пароперегрівачів), навантажених порівняно мало, але які працюють тривалий час (до 100000ч).

Деталі із сталей перлітного класу піддають нормалізації з температури 950-1050 º С і від пуску при 650-750 º С з отриманням структури сорбіту з пластичною формою карбідів.

Ці сталі містять мало хрому і тому мають невисоку жаростійкістю (до 550-600 º С).

Для роботи при температурі 500-600 º С застосовують стали мартенситного класу: високохромистого, наприклад 15Х11МФ для лопаток парових турбін: хромокремністие (звані сільхромамі), наприклад 40Х9С2 для клапанів моторів: складнолеговані, наприклад 20Х12ВНМФ для дисків, роторів, валів.

Для одержання оптимальної жароміцності деталі з цих сталей піддають гарту в маслі з температури 100-150 º С і від пуску при 700-800 º С (в залежності від сталі). Сталь 40Х9С2 після загартований має структуру мартенситу і твердість НRС ~ 60, а після відпустки-структуру сорбіту, твердість НRC ~ 30. Жаростійкість сталей мартенситного класу до температури 750-850 º С.

Для роботи при температурі 600-750 ^о С застосовують сталі аустенітного класу, що розділяються на неупрочняемие (нестаріючі) і зміцнюється (старіючі). Нестаріючі сталі-це, наприклад, сталь 09Х14Н16Б, предназначаемоя для труб пароперегрівачів і трубопроводів установок надвисокого тиску і застосовувана пості гарту з 1100-1150 ^о С (охолодження у воді або на повітрі).

Старіючі сталі-це складнолеговані стали, наприклад 45Х4Н14В2М, застосовувана для клапанів моторів, деталей трубопроводів, сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС-для лопаток газових турбін.

Хімічний склад (%) деяких жароміцних сталей і сплавів