II. Легированные стали. Основные легирующие элементы, микроструктура, классификация легированных сталей и термическая обработка.
15. Классификация легированных сталей по фазовому равновесию. Типичные микроструктуры.
15.1 Нарисуйте возможный вид диаграммы состояния железа с легирующим элементом, относящимся к -стабилизаторам.
15.2 Чем отличаются первичные карбиды, наблюдаемые в микроструктуре легированной стали ледебуритного класса, от вторичных?
- размером, выделения первичных карбидов как правило крупнее вторычных.
- температурой плавления, эвтектические карбиды имеют более высокую температуру плавления.
15.3 Структура сталей аустенитного, ферритного, полуаустенитного, полуферритного, перлитного и ледебуритного класса. Основные легирующие элементы.
- аустенитный – структура аустенита. Легирующие элементы: Ni, Mn
- ферритный – структура феррита. Легирующие элементы: Cr, W, Mo, V, Si
- полуаустенитный – структура феррит + аустенит. Легирующие элементы: те же что и аустенитные только повышенное содержание.
- полуферритный – структура феррит + аустенит. Легирующие элементы: те же что и ферритные только повышенное содержание.
- перлитный – структура эвтектоид или квазиэвтектоид (перлит сорбит, троостит). Легирующие элементы: Cr, Ni
- ледебуритный – структура ледебурит. Легирующие элементы: W, Cr
15.4 Для легированных сталей каких классов можно использовать закалку с целью упрочнения?
16. Классификация легированных сталей по Гийе.
16.1 Какие дополнительные классы легированных сталей содержит классификация по Гийе по сравнению с классификацией по фазовому равновесию (по Обергофферу)?
Классификация по Обергоферу основана на структуре в равновесном сосотоянии.
- пелитный, аустенитный, ферритный, полуферритный, полуаустенитный и ледебуритный.
Классификация по Гийе на структуре получаемой после охлаждения на воздухе из области 900С.
- перлитный, мартенситный, аустенитный и карбидный.
16.2 Согласно классификации по Гийе, сталь относится к мартенситному классу. Может ли эта сталь относится к аустенитному классу согласно классификации по фазовому равновесию?
Может, так как мартенсит выделяется из аустенита, и если сталь мартенситного класса по Гийе отжечь до полного распада мартенсита и провести охлаждение в равновесном состоянии, то получится сталь аустенитного класса по Обергоферу. То есть это одна и та же сталь, в которой в одном случае производилась закалка, а в другом нет.
17. Структура, термическая обработка и свойства легированных сталей разного назначения.
17.1 Каким образом добиваются упрочнения при легировании строительных сталей?
Упрочнения достигают путем низкого легирования, быстрого охлаждения, нормализации (или нормализации и высокого отпуска).
Упрочнение достигается в результате измельчения зерна, дисперсионного упрочнения карбонитридных фаз, зернограничного и дисперсионного упрочнения феррита, образования неравновесных структур.
Строительные стали легируют: Mn, V, Nb, Mo, N или Cu, Ni, P.
17.2 Почему строительные стали, как правило, низколегированные и малоуглеродистые?
Николегированные и низкоуглеродистые стали хорошо свариваются, т.е не образуют при сварке холодных и горячих трещин, что делает свойства зоны термического влияния (зоны сварки) близкими к свойствам основного металла.
Свариваемость характеризуется величиной углеродного эквивалента Сэкв=С+(Mn/6)+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15, чем ниже Сэкв тем лучше свариваемость, поэтому строительные стали низколегированные и малоуглеродистые.
17.3 В чём отличие горячих и холодных трещин, образующихся при сварке сталей?
Горячие трещины образуются в шве в процессе кристаллизации (широкий интервал кристаллизации). Холодные образуются в результате мартенситного превращения (различие объемов М и А порождает структурные трещины).
17.4 Какова основная цель легирования улучшаемых машиностроительных сталей?
Основные задачи: получение изделия с высокой твердостью, контактной выносливостью, высокой прокаливаемостью и закаливаемостью. Так же стали должны хорошо обрабатываться резанием. Сталь не должна быть склонна к внутреннему окислению, образованию избыточных карбидов (карбонитридов) при насыщении. После закалки слой должен иметь мартенситно-аустенитную структуру без продуктов перлитного и промежуточного превращений переохлажденного аустенита.
17.5 Что такое прокаливаемость? Как её определяют?
Прокаливаемость – глубина проникновения закаленной зоны (зоны в которой образовался мартенсит). Для определения используют метод торцевой закалки. Циллиндрический образец нагревают и закаляют с торца, после срезают плоский участок для определения твердости, строят кривую прокаливаемости.
17.6 Как осуществляют цементацию сталей?
Цементация (науглероживание) заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде – карбюризаторе. В связи с гораздо более высокой растворимостью углерода в γ-Fe по сравнению с α-Fe цементацию проводят в аустенитной области при температурах выше точки Ас3 (930…950 °С).
Различают два вида цементации:
Твердая – детали запаковывают в ящик, наполненный карбюризатором – науглероживающим веществом (древесным углем с различными добавками). В ящике между промежутками угля имеется воздух кислород которого при температуре процесса соединяется с углеродом образуя СО (а не СО2 из за недостатка кислорода). При контакте с железной поверхностью разлагается Ств + О2 -> 2СО -> CO2+Cатом, атомарный углерод диффундирует в поверхность из газовой фазы.
Газовая – камера печи наполнена цементируемым газом который постоянно обновляется. Цементируемые газы – окись углерода и газообразные углеводороды, при разложении выделяющие атомарный углерод.
17.7 Стали какого химического состава подвергают цементации?
Цементации подвергают детали из низкоуглеродистой стали, содержащей не более 0,25 % С. С тем, чтобы после цементиции, закалки и низкого отпуска получить твердый поверхностный слой и мягкую сердцевину.
17.8 Опишите микроструктуру стали после цементации.
Структура цементированного слоя после медленного охлаждения от температуры цементации показана на рисунке. Поверхностная зона в которой углерода больше 0,8-0,9 имеет структуру перлит + цементит – заэвтектоидная зона. Затем следует зона с содержанием углерода около 0,8% - эвтектоидная зона и наконец доэвтектоидная зона содержащая менее 0,7%С плавно переходящая в структуру сердцевины.
17.9 Опишите особенности термической обработки быстрорежущей стали Р18.
БР 18 сначала подвергается изотермическому ступенчатому отжигу для получения равномерного распределения карбидов ледебурита. После сталь подвергают закалке в масле высокой температуры (1270-1290). После сталь подвергают трехкратному отпуску (для того, чтобы весь остаточный аустенит превратился в мартенсит), во время которого наблюдается вторичное твердение.
17.10 Почему твёрдость быстрорежущей стали после отпуска выше, чем после закалки?
После закалки сталь содержит большое количество остаточного аустенита высоколегированный мартенсит и нерастворенные избыточные карбиды.. При отпуске остаточный аустенит превращается в мартенсит и выделение дисперсных карбидов из мартенсита и остаточного аустенита. Этот процесс называется вторичным твердением. Превращение остаточного аустенита в мартенсит, равномерное распределение выделившихся карбидов (цементит и спецкарбиды) вызывает твердение стали при отпуске после закалки.