Дубовий_О._М._и_др.pdf(Материаловедение)

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

5.Для мікрошліфа багатопрохідного зварювання провести огляд мікроструктуривмісціпереходувідшарудошару, визначитивпливтермічного циклу зварювання від наплавлення наступних шарів на мікроструктуру металу шва і ділянок перегріву. Зарисувати схему мікроструктур зварних з'єднань.

6.Написати звіт по роботі, в якому коротко сформулювати мету роботи, навестивідомостіпроособливостімікроструктуризварнихз'єднань низьковуглецевихсталейзвикористаннямдіаграмистану"залізо–цемен- тит", вказати розміри ділянок ЗТВ, зобразити схеми мікроструктур.

Прилади, матеріали та інструменти

Дляпроведенняроботинеобхідноматиметалографічниймікроскоп, об'єкт-мікрометр, мікрошліфизварнихз'єднань.

Контрольні запитання

1.Чим відрізняються термічні цикли вділянках ЗТВ, що знаходятьсянарізномувіддаленнівідлініїсплавлення?

2.Чим викликана дендритна ліквація в металі шва?

3.ЯкіособливостікінетикирозпадуаустенітуЗТВзварнихз'єднань?

4.Яквпливаєшвидкістьнагріваннянаструктурніперетворення?

5.Якієділянки ЗТВзварнихз'єднаньіособливостіїхутворення?

6.Як змінюються механічні властивості в ділянках ЗТВ?

Лабораторна робота № 10

ДОСЛІДЖЕННЯ МІКРОСТРУКТУРИ ЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ

Мета роботи: вивчити вплив легуючих елементів на структуру івластивостісталі, дослідитиструктурилегованихсталейрізнихкласів.

Теоретичні відомості

Легованою називається сталь, яка зазнала легування – введення певних хімічних елементів з метою одержання відповідного хімічного складу та утворення структури з потрібними фізичними, хімічними й механічними властивостями.

Леговані сталі класифікують за хімічним складом, сумарною часткоюлегуючихелементів, структурою, призначеннямтощо.

72

Дослідження мікроструктури легованих сталей

Захімічнимскладомзалежновідосновнихлегуючихелементівсталі поділяютьнахромові, хромонікелеві, хромонікельмолібденовітощо.

За сумарною часткою легуючих елементів розрізняють малоле-

говані сталі (містять до 2,5 % легуючих елементів), середньолеговані

(2,5...10,0 %), високолеговані (понад 10 %).

За структурою сталі класифікують за двома способами: у рівноважному стані після відпалу та після охолодження зразків невеликих розмірівнаповітрівід900 °С.

Леговані сталі за структурою у рівноважному стані поділяють на такі класи (рис. 10.1):

доевтектоїдні, щомістятьуструктурілегованіфериттаперліт(евтектоїд – суміш легованого фериту і карбідів);

евтектоїдні зі структурою легованого перліту;

заевтектоїдні, до фазового складу яких окрім легованого перліту входятьнадлишковівториннікарбідитипуM3С, щовиділяютьсяпідчас охолодження заустеніту;

ледебуритні, уструктуріякихприсутняевтектикатипуледебуриту, щоутвориласяпідчаскристалізаціїзрозплаву;

аустенітні; феритні.

Доевтектоїдні, евтектоїдні та заевтектоїдні сталі одержують за невеликої кількості легуючих елементів і незалежно від ступеня дисперсності феритно-карбідної суміші їх об'єднують в один перлітний клас.

Фазовий склад сталей ледебуритного класу формується внаслідок значного зміщення вліво точок S та Е діаграми Fе–Fе3С під впливом легування вольфрамом, молібденом, хромом тощо. Під час гарячої обробкитискомледебуритподрібнюєтьсяназернааустенітутаглобулярні частинкипервиннихкарбідів.

Сталі аустенітного класу зберігають структуру аустеніту аж до плавлення. Така термічна стабільність легованого γ-твердого розчину забезпечуєтьсявідповідноюкількістюγ-стабілізаторівтаскладнішихїх композиційускладісталі.

За малого вмісту вуглецю та значної кількості α-стабілізаторів (Сr, Мо, W, V, Sі, А1 тощо) утворюється структура легованого фериту з невеликоюкількістюспеціальнихкарбідів. Сплавитакоготипустановлять феритний клас легованих сталей.

73

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Структури сталей напівферитного й напіваустенітного класів

складаються з фериту та аустеніту, оскільки внаслідок легування відповідними хімічними елементами й у належній їх кількості в них під час охолодженняпроходитьтількичастковеγ → α-перетворення. Классталі визначає відносна кількість фази (фериту чи аустеніту), що переважає вїїструктурі.

Отже, заможливістюдосягненнярівноважногофазовогоскладулеговані сталі поділяють на такі класи: перлітний, ледебуритний, аусте-

нітний, феритний, напіваустенітний, напівферитний.

П

ЦІІ М

аб

К

А

Ф

вг

ЛС

СК

дж

Рис. 10.1. Мікроструктурилегованихсталейрізнихкласів післянормалізації:

а– перлітний, × 500; б– мартенситний, × 500; в– феритний, × 300;

г– аустенітний, × 600; д– ледебуритний, литасталь, × 500; ж– ледебуритний, стальпіслякування, × 600; П– перліт; ЦІІ – цементитвторинний(легований);

М– мартенсит; Ф – ферит; К – карбід; А – аустеніт; С – сорбіт; Л – ледебурит

74

Дослідження мікроструктури легованих сталей

Заструктурою, якуодержуютьпісляохолодженнязразківнаповітрі, розрізняють наступні класи легованих сталей: перлітний, мартенсит-

ний, аустенітний.

Сталі перлітного класу можуть мати в структурі перліт, сорбіт або троостит (більш дисперсні, ніж перліт), сумарний вміст легуючих елементів у них не перевищує 5 %. У сталях мартенситного класу вміст легуючих елементів складає 5...10 %, а в аустенітних – більше 10 %.

За призначенням розрізняють конструкційні (які включають у себе також сталі спеціального призначення) та інструментальні сталі.

Зконструкційнихсталейвиготовляютьдеталімашинрізноманітних механізмів(машинобудівністалі), зварніелементибудівельнихконструкцій іспоруд(будівельністалі). Доцьогожтипутакожвідносятьсталіспеціальногопризначення: корозійно-, теплойжаростійкі, жароміцнітощо.

Маркування легованих сталей. Для позначення марок легова-

них сталей стандартами розроблена система, яка передбачає буквеноцифровий запис марки. Кожний легуючий елемент позначається початковоюлітероюйогоназви. Деякіелементипозначаютьіншимилітерами: Г – марганець; Д – мідь; Р – бор; Б – ніобій; С – кремній; П – фосфор; Ф – ванадій; Ю – алюміній; А – азот; Ч – рідкісноземельні метали. Умарцізаписуютьчисламинапочатку вміствуглецю, великимилітерами і числами за ними – вміст легуючих елементів. Вміст вуглецю в конструкційнихсталяхзаписуютьдвоаботрицифровимчислом, якевиражає соті частки відсотка, в інструментальних сталях – одноцифровим числом, що виражає десяті частки відсотка. У марках інструментальнихсталей, якімістятьодинібільшевідсотківвуглецю, цифринапочаткунепишуть. Вміст легуючихелементів завждизаписуютьувідсотках, а якщо він менше одного відсотка, цифра після літери частіше не пишеться. Якщо вміст у сталі сірки та фосфору менше 0,03 %, наприкінці марки записують велику літеру А. Цифри та літери в записі марки сталі повинніматиоднаковувисоту.

Конструкційні машинобудівні леговані сталі широко застосовують длявиготовленнядеталейавтомобілів, тракторів, сільськогосподарської техніки, верстатів, металоконструкційтощо. Їхлегуютьнедорогимиелементами: марганцем, кремнієм, хромом; в окремих випадках – нікелем, титаном, вольфрамом, молібденом, ванадієм, ніобієм, бором(40Х, 18ХГТ, 30ХГСА, 20ХНР і т. д.). Вартість сталі зростає зі збільшенням ступеня легованості (особливо такими елементами, як нікель, молібден, вольфрам) та зменшенням розмірів виробу.

75

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Конструкційні будівельнінизьколегованісталідлязабезпечення належної конструкційної міцності й здатності зварюватися легують марганцем, кремнієм, хромом, нікелем, ванадієм, титаномтаазотом(09Г2С, 15Г2СФД, 14ХГС, 16Г2АФ, 35ГС, 25Г2С тощо). Підвищення стійкості до атмосферної корозії досягають додаванням міді (10ХСНД). Основна вимога, що висувається до них, – добра зварюваність, що забезпечується передусім малим вмістом вуглецю (до 0,22 %). Переважно низьколеговані будівельні сталі використовують без додаткової термічної обробки, аінколипостачаютьпіслянормалізації(абонормалізаціїтависокого відпуску) чиконтрольованоїпрокатки.

Порівнянозвуглецевимиконструкційнілегованісталізавдякибільшій прогартовуваності, меншійвеличинізерентабільшійдисперсностікарбідів мають вищі міцність, пластичність й ударну в'язкість. Проте надмірне легуванняможевикликатипідвищеннятемпературипереходузв'язкого стану в крихкий, тому вміст легуючих елементів має бути мінімальним, алетаким, щобпоможливостізабезпечитинаскрізнупрогартовуваність виробузаданогоперерізу. Особливопозитивнонамеханічнівластивості впливаєнікель. Вінзбільшуєопіркрихкомуруйнуванню, підвищуєпластичність і в'язкість, зменшує чутливість до концентраторів напружень, знижує температуру в'язкокрихкого переходу. Але нікель є дорогим легуючим елементом, який додають у мінімально можливій кількості разом з хромом або іншими елементами. Завдяки зменшенню величини зерен фериту таким чином впливають на показники міцності ванадій, титан, ніобій, цирконій, якими легують у невеликій кількості (0,05...

...0,15 %).

Більшістьконструкційнихлегованихсталейналежитьдоперлітного класу(14Г2АФ, 09Г2СД, 15ХСНД, 35Х, 45Г, 25ХГМтощо).

Залежновідтехнологіїтермічноїобробкиконструкційнілегованісталі поділяютьнатакі, щопідлягаютьцементаціїтанітроцементації(20ХНЗА, 20ХГР, 30ХГТ, 12Х2Н4А) абополіпшеннюшляхомгартуванняівисокого відпуску (40ХН, 40ХФА, 65Г, 35ХТСА, 38Х2Н2МА). За призначенням розрізняютьтакожсталіпружинні, підшипникові, рейкові, кріогеннітощо.

Сталіперлітного(12ХМФ, 25Х2МФтощо) тамартенситного(15Х5М, 15Х5ВФ, 12Х8ВФ і т. д.) класів застосовують як теплостійкі для виготовленнядеталей, щопрацюютьтривалийчасунавантаженомустаніза температур близько 600 °С.

Більшістьвисоколегованихсталейспеціальногопризначенняєнержавіючими, жаростійкими, жароміцними, зносостійкимитощотакихкласів:

76

Дослідження мікроструктури легованих сталей

феритного(10Х13СЮ, 15X28, 08Х18Т), мартенситного(40Х10С2М, 30X13, 40X13, 95X18), аустенітного(08Х10Н20Т2, 10Х14Г14НЗ, 03Х17Н14М2, 12Х18Н10Т), мартенситно-феритного(14Х17Н2, 15Х12ВНМФ), аустеніт- но-мартенситного (07Х16Н6, 09Х17Н7Ю), аустенітно-феритного

(08Х20Н14С2, 08Х22Н6Т).

Інструментальні леговані сталі використовують для виготовлення вимірювальногойрізальногоінструментів(7ХФ, ХВ4, 9ХС, ХВГ), штампів холодного(Х6ВФ, XI2М, 6Х6ВЗМФС) тагарячогодеформування(7X3, Х6ВФ, 5ХНМ, 5ХНВ, 4Х5В2ФС, 4Х5МФС). Заструктуроюцепередусім заевтектоїдні (перлітні) або ледебуритні (карбідні) сталі. Після гартуванняінизькоговідпускуїхструктураскладаєтьсязмартенситувідпуску та надлишкових карбідів. Для виготовлення штампів застосовують також доевтектоїдні сталі, термічну обробку яких з метою підвищення в'язкостіпроводятьдляодержанняструктуритрооститувідпуску, аіноді йсорбітувідпуску.

Окрім високої твердості, міцності, зносостійкості важливою характеристикоюінструментальнихсталейєтеплостійкість(абочервоностійкість). Теплостійкістю називають здатність робочої частини інструмента за умов нагрівання в режимі експлуатації зберігати структуру та властивості, які необхідні для різання або деформування. Низьколеговані інструментальністалімаютьнизькутеплостійкість(вмістлегуючихелементів до 3...4 %). Напівтеплостійкі сталі з робочою температурою до

300...400 °С містять 0,6...0,7 % С, 4...18 % Сr. До теплостійких сталей з робочою температурою до 550...650 °С належать високолеговані сталі ледебуритногокласу(наприклад, швидкорізальніР6М5К5, Р9, Р9М4К8, Р18). Іншоюважливоюхарактеристикоюінструментальнихсталейєпрогартовуваність. Теплостійкітанапівтеплостійкісталімаютьвисокупрогартовуваність, анетеплостійкіістотнопоступаютьсяїмзацимпоказником.

Порядок виконання роботи

1.Отримати протравлені мікрошліфи легованих конструкційних, інструментальних таспеціальних сталей відомих марок.

2.Розглянути їх структуру за збільшень у 300...500 разів та схематичноїїзарисувати.

3.За атласом визначити структурні та фазові складові у мікроструктурікожноїсталі.

77

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

4.Замаркоюсталірозшифруватиїїхімічнийсклад, класифікаціюза структурою та призначенням, охарактеризувати властивості.

5.Написати звіт по роботі, в якому коротко сформулювати мету роботи, навести відомості про особливості термічної обробки та можливі галузі застосування досліджуваних сталей.

Прилади, матеріали та інструменти

Дляпроведенняроботинеобхідноматимікроскопиметалографічні, мікрошліфилегованихсталейрізнихструктурнихкласівтапризначення, атлас мікроструктур.

Контрольні запитання

1.Які сталі називають легованими?

2.До складу яких фаз можуть входити легуючі елементи в сталях?

3.Назвіть основні структурні класи легованих сталей.

4.Як впливають легуючі елементи на мартенситне перетворення та перетворення під час відпуску?

5.Сформулюйтеосновніпринципикласифікаціїлегованихсталей.

6.Охарактеризуйтеосновнітипиконструкційних, інструментальних таспеціальнихлегованихсталей.

7.Які переваги та недоліки мають конструкційні й інструментальні легованісталі передвуглецевими?

Лабораторна робота № 11

ДОСЛІДЖЕННЯ МІКРОСТРУКТУРИ КОЛЬОРОВИХ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ

Мета роботи: дослідити мікроструктуру сплавів алюмінію, міді, титану та бабітів.

Теоретичні відомості

Алюміній і його сплави. Алюміній – легкий метал, з густиною 2,7 г/см3, сріблястого кольору, який добре полірується. Полірована поверхня достатньо довго зберігає блиск. Температура його плавлення – 660…658 °С у залежності від чистоти. Він кристалізується в ГЦК-ґрат- ку. Алюмініймаєвисокіелектроітеплопровідність. Електропровідність алюмініюскладає65 % віделектропровідностіміді. Питоматеплоємність і прихована теплота плавлення алюмінію значні, що потребує витрати

78

Дослідження мікроструктури кольорових металів та сплавів

79

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

ну стійкість у багатьох середовищах. Густина міді 8,92 г/см3, температураплавлення1084,5 °С.

аб

Рис. 11.2. Мікроструктурасилумінів:

а– немодифікований, × 200; б– модифікованийпотрійниммодифікатором, × 150

Мідь– найважливішийматеріалдлявиготовленняелектричнихпроводів, кабелів, деталейприладівйелектричнихмашинтощо. Понад50 % міді, щодобувається, використовуютьвелектротехніці, електровакуумній та електронній техніці для виготовлення провідників. Вона знаходить широкезастосуванняякматеріалурізнихтеплообмінниках, нагрівниках, холодильниках, радіаторах.

Якконструкційнийматеріалвосновномувикористовуютьсплавиміді зіншимиелементами(цинком, оловом, алюмінієм, кремніємтощо) – латунітабронзи. Призбереженнівідносновисокихелектроітеплопровідності, доброїкорозійноїстійкостісплавипорівняноізчистоюміддюмають вищийрівеньмеханічнихтатехнологічнихвластивостей. Затехнологічними ознаками мідні сплави поділяються на ливарні, а також такі, що обробляються тиском (деформівні); за здатністю змінюватися за допомогою термообробки – які змінюються і не змінюються термообробкою.

Латунями називають сплави на основі міді, головною домішкою в яких є цинк. Це найдешевші мідні сплави. За хімічним складом вони поділяються на подвійні (прості) та багатокомпонентні (складні).

Простілатуні– цесплавимідітількиізцинком. Латуні, щомістять до 10 % цинку, називають томпаками, а 10...20 % – півтомпаками.

Практичне застосування мають латуні з вмістом цинку до 45 %, оскільки подальше збільшення вмісту цинку призводитьдорізкого зниження їхньої міцності та пластичності. При вмісті цинку до 39 % латуні мають однофазну структуру твердого розчину цинку в міді (рис. 11.3).

80

Дослідження мікроструктури кольорових металів та сплавів

При більшому вмісті цинку утворюється інтерметалічна сполука CuZn (β'-фаза), що відзначається високою твердістю та крихкістю, – і латуні стають двофазними (α + β), мікроструктура яких наведена на рис. 11.4.

Холоднапластичнадеформаціязначнопідвищуєміцністьтатвердість

леннявідповідальнихдеталей, атакожювелірнихвиробів, декоративних прикрас. Для надання певних властивостей у латуні додатково вводять різні елементи: свинець, алюміній, нікель, олово, кремній та ін. Такі латуні називаються спеціальними.

Сплави міді з оловом, алюмінієм, кремнієм та іншими елементами, серед яких цинк не є основною домішкою, називаються бронзами. Як і латуні, бронзи поділяють на ливарні та деформівні.

аб

Рис. 11.4. МікроструктуралатуніЛ62, × 100:

а – в литому стані; б – після деформування і відпалу; α-фаза – білий колір; β-фаза– темнийколір

81