metoda_leg_st

против коррозии. При введении таких элементов в сталь происходит не постепенное, а скачкообразное повышение коррозионной стойкости. Введение в сталь 13 %Сr делает ее коррозионностойкой в атмосфере и во многих других промышленных средах. Сплавы, содержащие меньше 13 % Cr подвержены коррозии. Сплавы, содержащие более 13 %Cr ведут себя как благородные металлы: обладая положительным электрохимическим потенциалом (рис.4.3), они не ржавеют и не окисляются на воздухе, в воде, в ряде кислот, солей и щелочей.

Структура стали ШХ15 после закалки и отпуска

Рис.4.2.

Потенциал железохромистых сплавов

Рис. 4.3.

Введение достаточного количества никеля в 18 %-ную хромистую сталь переводит ее в аустенитное состояние во всем диапазоне температур, что обеспечивает лучшие механические свойства, меньшую склонность к росту зерна, а также делает сталь более коррозионностойкой.

Нержавеющие стали с 18 % Сг и 9 %Nl получили наиболее широкое распространение в машиностроении, в изделиях широкого потребления.

Химический состав стали I2Х8H9T: 0,12 % С; 1-2 %Мn, 17-19 % Сr; 8-10% Ni, ~ 1

% Ti.

В хромоникелевых нержавеющих сталях могут образовываться специальные карбиды, преимущественно типа М23С6. Образование карбидов может происходить при содержании углерода > 0,04 %. Высокое содержание никеля снижает растворимость углерода в аустените, поэтому и возможно образование карбидов при 0,12 %С.

При дополнительном легировании этих сталей титаном и ниобием последние могут образовывать специальный карбид типа МС. Чем больше будет отношение содержания титана и ниобия к углероду, тем больше будет образовываться карбида типа МС и меньше карбида типа М23С6.

Термическая обработка нержавеющих сталей аустенитного класса заключается в закалке в воде с температуры 1050-1100 °С. Нагрев до этих температур вызывает растворение карбидов хрома (Сг23Сб ), а последующее быстрое охлаждение фиксирует состояние пересыщенного твердого раствора (аустенит). Медленное охлаждение недопустимо, так как при этом, как и при отпуске, возможно выделение карбидов, приводящее к ухудшению пластичности и коррозионной стойкости. Кроме того, при закалке происходят рекристаллизационные процессы, устраняющие последствия предшествующего пластического деформирования.

Перешедшие при нагреве в раствор карбиды могут выделиться при последующем замедленном охлаждения или при отпуске 500-700 °С, если сталь была закалена. Это

приводит к появлению очень опасного особого вида коррозионного разрушения по границам зерен, названного межкристаллитной (интеркристаллитной) коррозией. Выделение карбидов хрома Сг23Сб в пограничных зонах приводит к обеднению этих зон аустенита хромом ниже того предела (т.е. 13 %), который обеспечивает коррозионную стойкость.

Склонность к интеркристаллитной коррозии аустенитных нержавеющих сталей можно устранить уменьшением содержания углерода и введением элементов- стабилизаторов - титана или ниобия. При введении в сталь титана или ниобия образуются карбиды типа МС. Эти карбиды мало растворимы в аустените. Титан и ниобий, забирая на себя углерод, препятствуют образованию хромистых карбидов и появлению интеркри сталлитной коррозии.

В структуре стали I2XI8H9T после закалки будет аустенит (рис. 4.4), что обеспечивает наиболее высокие механические и коррозионностойкие свойства.

Механические свойства нержавеющей аустенитной стала 12XI8H9T в закаленном состоянии: σb= 520-560 МПа;. σ0,2 = 200-250 МПа; δ = 50 %; ψ = 55 %, НВ =1400-1500

МПа.

4.5. Износостойкая высокомарганцовистая аустенитная сталь 110Г1ЗЛ

Устойчивость против износа достигается обычно получением высокой поверхностной твердости. Однако имеется аустенитная сталь, которая в условиях обычного трения, сопровождаемого большим удельным давленлем при низкой твердости

(НВ 2000-2500) обладает высокой износостойкостью. Это так называемая сталь Гадфильда (110Г13Л), содержащая 0,9 - 1,3 %С, 11,5-14,5 % Мп (легированная сталь, полученная немецким ученым Гадфильдом в 1862 г.).

Структура аустенитной нержавеющей стали 12XI8H10T

Рис. 4.4.

Сталь применяют в литом (буква Л в обозначении) реже - в горячедеформированном виде. Структура стали после литья состоит из аустенита и избыточных карбидов (Fe, Мп)3С, выделяющихся по границам зерен (рис. 4.5), что снижает прочность и вязкость стали. В связи с этим литые изделия подвергают закалке, состоящей в нагреве до температуры 1050-1100 °С с последующим охлаждением в воде. При таком высокотемпературном нагреве растворяются карбиды, и сталь после закалка приобретает более устойчивую аустенитную структуру (рис. 4.6).

Миктроструктура стали 110Г13Л после литья.

Аустенит и карбиды

Рис.4.5.

Микроструктура стали 110Г13Л после закалки от 1100 °С

Аустенит

Рис.4.6.

Сталь обладает типичными для аустенитных сталей высокими механическими характеристиками ( вязкостью и пластичностью при достаточно хорошей прочности: σb =

800-900 МПа;. σ0,2 = 340-350 МПа; δ = 25 - 15 %; ψ = 30 - 20 %, НВ =1800-2200 МПа.).

Пластические свойства стали ухудшаются при нагреве выше 200-300 °С вследствие выделения карбидов.

При низкой твердости сталь Гадфильда обладает необычайно высокой износоустойчивостью при трении с давлением и ударами. Это объясняется повышенной способностью к наклепу (рис.4.7), значительно большей, чем у обычных сталей с такой же твердостью.

Влияние наклепа на твердость

Рис.4.7.

Высокая упрочняемость стали Гадфильда есть результат наклепа (искажение

кристаллической решетки, дробление блоков мозаики). При равной степени деформации блоки мозаики в стали Гадфильда дробятся в большей степени, чем в других, в том числе и аустенитных сталях. Чем обусловлены такие специфические свойства марганцовистого аустенита, точно не установлено. Высокая вязкость аустенита, наряду с достаточной прочностью и износоустойчивостью, делает сталь 110Г13Л незаменимым материалом для деталей, работающих на износ и удар одновременно. Из стали изготавливают зубья черпаков экскаваторов, траки гусениц тракторов, трамвайные крестовины, детали камнедробилок и другие, где трение сопровождается ударами и большими давлениями При абразивном износе, когда наклеп отсутствует, сталь Гадфильда не имеет

существенных преимуществ в отношении износоустойчивости перед другими сталями той же твердости.

4.5. Быстрорежущая инструментальная сталь PI8

Основным требованием, предъявляемым к стали для режущего инструмента, является сохранение режущей кромки в течение длительного времени. Чтобы эта полоска металла была устойчивой против истирания, она должна иметь высокую твердость, как правило, выше 60HRC.

На отделение стружки от обрабатываемой детали при резании затрачивается определенная механическая работа, которая в процессе резания превращается в тепло. Это

тепло нагревает режущий инструмент и может приводить к снижению твердости режущей кромки.

В отличие от других инструментальных сталей быстрорежущие стали обладают высокой теплостойкостью (красностойкостью), т.е. способностью сохранять мартенситную структуру и соответственно, высокую твердость, прочность и износостойкость, а следовательно, высокие режущие свойства, при повышенных температурах. Эти стали сохраняют мартенситную структуру при нагреве до 600-620 °С, поэтому применение их позволяет значительно повышать скорость резания (в 2-4 раза) и стойкость инструментов (в 10-30 раз) по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью. Так, твердость углеродистой стали начинает быстро падать после нагрева до 200 °С (вследствие распада мартенсита).

Высокая теплостойкость быстрорежущих сталей обеспечивается введением большого количества вольфрама совместно с другими карбидообразующими элементами (Mo, V ), а также кобальтом. Инструмент из этих сталей сохраняет высокую твердость до 600-640 °С и допускает в 3-5 раз более производительные режимы резания, чем из сталей, не обладающих теплостойкостью.

Быстрорежущие стали обозначаются буквой Р, цифра, после которой указывает содержание вольфрама - основного легирующего элемента в процентах (ГОСТ 19265-73).

Химический состав наиболее распространенной стали P18: 0,7-0,8 %С; 3,8-4,4 %

Сг; 17,0-18,5 % W, ≤1,0 % Мо; 1,0-1,4 % V.

По структуре после отжига быстрорежущие стали относятся к ледебуритному классу. В литом виде имеют ледебуритную эвтектику. Ее устраняют путем измельчения

медленно с прогревами при 450 °С и 850 °С. Особенность закалки быстрорежущих сталей - высокая температура нагрева. Она необходима для обеспечения теплостойкости -

получения после закалки высоколегированного мартенсита в результате перехода в раствор максимального количества специальных карбидов. Высокая температура закалки не вызывает перегрева - роста зерна из-за торможения включениями первичных карбидов и высокой скорости нагрева в расплаве солей в соляных ваннах, дополнительно уменьшающего окисление и обезуглероживание.

Легирование аустенита происходит при растворении вторичных карбидов. Первичные карбиды не растворяются и тормозят рост зерна аустенита. Благодаря им при нагреве, близком к температуре плавления быстрорежущие стали сохраняют мелкое зерно.

После закалки сталь не обладает максимальной твердостью, которая не превышает 60 НRС, так как в структуре, кроме мартенсита и первичных карбидов содержится 30-40 % остаточного аустенита, присутствие которого вызвано снижением точки Мк ниже 0 оС из-за присутствия высокого содержания легирующих элементов и углерода.(рис.4.10).

Чтобы полностью превратить остаточный аустенит, снижающий режущие свойства инструмента, после закалки проводится отпуск при температуре 560 °С. В процессе выдержки при отпуске (1 час) из мартенсита и остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды М6С. Этот процесс протекает наиболее интенсивно при 560 °С в течение первого часа, а затем замедляется. Аустенит, обедняясь углеродом и легирующими элементами, становится менее устойчивым и при охлаждении ниже Мн испытывает мартенситное превращение. Однократный отпуск не обеспечивает превращения всего остаточного аустенита. Применяют трехкратный отпуск с выдержкой 1 час и охлаждением на воздухе. Применение после закалки обработки холодом сокращает цикл термической обработки (рис. 4.11).

Микроструктура стали PI8 после закалки

Рис.4.10

Схема термической обработки быстрорежущей стали (с обработкой холодом)

Рис.4.11

После окончательной термической обработки быстрорежущая сталь имеет структуру, состоящую из мартенсита отпуска и карбидов (рис. 4.12) и твердость HRC 64-65.

В результате сложной термической обработки быстрорежущая сталь приобретает высокую твердость и теплостойкость.

Микроструктура быстрорежущей стали PI8 после закалки и отпуска

Рис. 4.12

5.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

5.1.Изучить влияние легирующих элементов на структуру и свойства легированных сталей.

5.2.Рассмотреть классификацию легированных сталей.

5.3.Изучить и зарисовать микроструктуры легированных сталей.

5.4.Вписать химический состав каждой стали и объяснить принцип маркировки.

5.5.Определить к какому классу по структуре и назначению принадлежат заданные стали, для каких изделий применяются, какими свойствами должны обладать.

5.6.Выписать типичные режимы термической обработки для каждой стали и

получаемые значения механических свойств.

5.7.Рассмотреть особенности термической обработки каждой стали.

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе должен содержать следующий материал:

6.1.Наименование и цель работы.

6.2.Микроструктуры легированных сталей с обозначениями структурных составляющих.

6.3.Химический состав изучаемых легированных сталей.

6.4.Режимы термической обработки изучаемых легированных сталей.

6.5.Механические свойства изучаемых легированных сталей.

6.6.Описание возможных областей применения изученных легированных сталей.

И7. ПЕРЕЧЕНЬ КОНТРОЛЬНЫХ ВОПРОСОВ

При подготовке отчета необходимо обратить внимание на следующие вопросы теории:

7.1.Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа.

7.2.Распределение легирующих элементов в стали.

7.3.Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита.

7.4.Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение

7.5.Влияние легирующих элементов на превращения при отпуске.

7.6.Классификация и маркировка легированных сталей.

7.7.Применение изучаемых легированных сталей.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. - 647с.

2.Сидорин И.И. Основы материаловедения. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

3.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, I960. - 493 с.

4.Мозберг Р.К. Материаловедение. - Таллин, Вагус, 1976. - 554 с.

5.Руководство к лабораторным работам по материаловедению. Под ред.Сидорина И.И. - М.: Высшая школа, 1967. - 251 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ Таблица П. 1

Химический состав, структура, механические свойства и типичные режимы термической

обработки изучаемых сталей