Лекции по дисциплине Металловедение. Атомнокристаллическая структура металлов

• Название: Атомнокристаллическая структура металлов
• Анкор: Лекции по дисциплине Металловедение.doc
• Дата: 12.07.2018
• Размер: 453.5 Kb.
• Имя файла: Лекции по дисциплине Металловедение.doc
• Тип: Документы; #21382
• страница: 7 из 9

Нитроцементация осуществляется в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и диссоциированного аммиака при t=850-860°C. В зависимости от аммиака и температуры процесса концентрации азота и углерода в поверхностном слое стали разная. Так, при t= 850-870°C в атмосфере с минимальным количеством NНз (3%), легированные стали насыщаются углеродом значительно интенсивнее, чем азотом. Такой процесс предложено называть карбонитрированием. Углеродистые и низколегированные стали при 850-870°С и повышенном содержании NH₃ подвергают нитроцементации. Различают высоко- и низкотемпературную нитроцементацию. После высокотемпературной нитроцементации при t = 840-860°С проводят непосредственно закалку или с температуры нитроцементации или после подстуживания до 800-820°С и низкий отпуск. Контроль качества термической обработки осуществляется на образцах-свидетелях из той же марки стали, что и обрабатываемые детали, прошедших химико-термическую обработку вместе с деталями. Металлографически определяется толщина слоя и его структура. После закалки и отпуска на поверхности деталей измеряют твердость, которая должна быть в пределах HRC 58-64. Структура поверхностного слоя после нитроцементации и закалки состоит из мелкокристаллического мартенсита, 25-30% карбонитридов и остаточного аустенита. Причем количество остаточного аустенита в нитроцементованном слое больше, чем в цементованном вследствии легирования первого азотом. Повышенное количество остаточного аустенита в нитроцементованном слое объясняет повышенную пластичность, вязкость и хорошую прирабатываемость деталей после нитроцементации.

Нитроцементация более дешевый процесс, чем жидкостное цианирование, безопасный, позволяет более точно регулировать толщину и состав диффузионного слоя.

По сравнению с газовой цементацией нитроцементация проводится при более низкой температуре; но с той же скоростью, не выделяется сажа на поверхности деталей, диффузионный слой обладает более высокой износостойкостью, пределом выносливости, при нитроцементации меньше деформация деталей, меньше стоимость процесса. Поэтому нитроцементация быстро внедряется в промышленность вместо газовой цементации. Для нитроцементации в шахтных печах применяют жидкий цианизатор-триэтаноламин (C₂H₄ОН)₃N, который вводится в рабочее пространство в виде капель. При температурах 550-950°С он разлагается по реакции:

М(С2Н40Н)₃ -2СН₄ +HCN+3CO+3H2

СН4, HCN и СО обеспечивают получение атомарных С и N. В последние годы начали применять низкотемпературную нитроцементацию) при t= 570-600°C в атмосфере углеродосодержащих газов и аммиака, которая может заменить жидкое азотирование в расплавленных ядовитых цианистых солях.
Термохимическая обработка
Термохимическая обработка сочетает пластическую деформацию стали в аустенитном состоянии и последующую закалку. Пластическая деформация в этом случае оказывает непосредственное влияние на формирование структуры при фазовом превращении. Такое сочетание обработок позволяет повысить плотность и изменить характер распределения несовершенств кристаллического строения и обеспечить оптимальную структуру и свойства обрабатываемого сплава.

В промышленности используются различные схемы ТМО для стали. Наибольшее распространение получили два способа термомеханической обработки.

Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО). Сталь деформируют в аустенитном состоянии при температурах выше точки А_С3. Степень деформации составляет 20-30%. После деформации- немедленно закалка (чтобы не произошла рекристаллизация аустенита), и последующий низкий отпуск. Главная цель- повышение механических свойств. При ВТМО мартенсит наследует сформировавшуюся при горячей деформации субструктуру перекристаллизованного аустенита. При ВТМО машиностроительных углеродистых, низко и среднелегированных сталей достигается следующий уровень механических свойств:

σ_в=220-260 кг/мм², σ_0,2,=190-220кг/мм², σ=7-8%, δ=26-40%.

Таким образом при высокой прочности сохраняются хорошие пластические свойства. Степень горячей деформации не должна быть слишком большой, иначе развивается рекристаллизация аустенита, снижающая упрочнением. Для каждой марки стали необходимо подбирать оптимальное сочетание температур, степени и скорости деформации, чтобы получить оптимальные свойства.

Низкотемпературная термомеханическая обработка. При НТМО сталь деформируют в температурной зоне переохлажденного аустенита в области его относительной устойчивости (400-600°С). Температура деформации должна быть выше точки Мн, но ниже температуры рекристаллизации (рис. 83) .Степень деформации обычно 75-95%. Закалку осуществляют сразу после деформации, с последующим отпуском (100-300⁰С). Предел прочности повышается до 280-330 кг/мм² при δ=5-7% и в этом случае причина упрочнения- наследование мартенситом дислокационной структуры деформированного аустенита. Деформация аустенита происходит ниже температуры рекристаллизации возможны очень большие обжатия (при ВТМО это невозможно). Мартенсит наследует субструктуру деформированного аустенита, возникает очень высокая плотность дислокаций (до 10¹³ см ^-2 ) , закрепленных атомами углерода и карбидными частицами, что обуславливает максимальные значения прочности НТМО практически применимо только к легированным сталям, обладающим значительной устойчивостью переохлажденного аустенита. Внедрение НТМО в производство существенно затрудняется необходимостью использования очень мощного оборудования для обработки давлением (при низких температурах сопротивление деформированию очень высоко). Кроме того после НТМО низко сопротивление распространению трещины (сопротивление хрупкому разрушению), которое является важнейшей характеристикой конструкционного материала.

Тема №10

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Требуемые свойства в стальном изделии получают добавлением легирующих элементов в сталь при ее выплавке или их введением в поверхностный слой изделия при химико-термической обработке и соответствующей термической обработкой.
Классификация примесей
Все примеси, содержащиеся в стали, можно разделить на 4 группы:

1 . Постоянные или обыкновенные примеси.

Это невредные примеси: марганец 0,3-0,7% вес, кремний 0,2-0,4% (их введение необходимо при производстве стали для раскисления жидкого металла, причем в кипящей стали кремния мало <0,07%).

К этой же группе относят вредные примеси: серу 0,01-0,04% (попадает самопроизвольно из руды и топлива) и фосфор 0,02-0,05% (из руды). Полностью очистить сталь от вредных примесей трудно.

2. Скрытые примеси. Это водород, кислород и азот, присутствующие в любой стали в малых количествах. В обычных технических условиях на сталь не указывают ограничений на содержание этих газов, по сколько методы их химического анализа в стали очень сложны.

3. Случайные примеси попадают в сталь самопроизвольно из шихтовых материалов. Например, уральские железные руды содержат медь, керченские- мышьяк, переплавляемый металлический лом(скрап) может содержать луженые, оцинкованные никелированные отходы и отслужившие изделия из легированной стали. Содержание хрома в нелегированной стали может достигать 0,1-0,3% и никеля 0,2-0,3%.
Легирующие добавки - элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств. Стали с легирующими элементами называют легированными, а иногда специальными.

Если в сталь ввели 0,1% титана или 0,005% бора специально с целью получения требуемых свойств, то сталь считают легированной, а при добавке марганца сталь будет легированной только в случае заметного превышения его технологически необходимой концентрации (0,7%), например до 1,0% и более.
Классификация сталей
Сталями называют сплавы, в которых железа содержится более 50вес%. При содержании железа менее 50%, но больше чем любого другого элемента – это сплав на основе железа.

По степени легированности стали делят на:

а.) нелегированные (углеродистые), содержащие только технологические, открытые и случайные примеси (эти стали составляют 2/3 всего тоннажа стали, выплавляемой в стране)

б.) низколегированные стали (малолегированные), содержащие в сумме до 2,5% легирующих элементов,

в.) среднелегированные стали содержат в сумме 2,5-10% легирующих добавок,

г.) высоколегированные стали содержат в сумме более 10% легирующих элементов . Сталь называют хромистой, кремнистой, хромоникелевой и т.д. в соответствии с введенными в нее легирующими добавками.

Часто применяют комплексное(сложное) легирование, т.е. вводят в сталь одновременно 5-6 легирующих элементов.

Существуют и другие способы классификации сталей, например, по структуре после отжига (доэвтектоидная, эвтектоидная, заэвтектоидная), по структуре после нормализации (перлитного, мартенситного, аустенитного, ледебуритного класса), по назначению (конструкционная, инструментальная, сталь особого назначения).

Обозначение марок легированной сталей. В большинстве случаев обозначение марки легированной стали начинается с двухзначного (или трехзначного) числа, обозначающего содержание углерода в сотых долях процента, например, сталь 15Г содержит 0,15% углерода. Если марка начинается с однозначного числа, то концентрация углерода выражена в десятых долях процентам например, сталь 5ХНМ содержит 0,5% углерода, нелегированная сталь У8-0,8% углерода.

При концентрации углерода в стали более 1,0% его цифровое обозначение может отсутствовать, например, сталь XI 2 содержит до 2% углерода. Если углерода меньше 0,1%, то марка ;тали может начинаться с нуля(ОХ18Н9Т).

Затем в марке следуют буквальные обозначения легирующих элементов, которые зашифрованы буквами русского алфавита; часто это начальная буква русского или латинского названия элемента или другая характерная буква русского названия или химического символа элемента): Х- хром, Н- никель. Т- титан. К- кобальт, М- молибден, В-вольфрам, Ф-ванадий, С- кремний, Ц,- цирконий. Г- марганец, Д- медь, Ю- алюминий, В- ниобий, Р- бор. А- азот( ставится не в конце марки) ,Ч-редкоземельные элементы, Е-селен, П- фосфор.

Цифры после каждой буквы указывают содержание обозначаемого этой буквой элемента в целых процентах, причем, если концентрация элемента менее или около 1%, то число после буквы не ставят, а если элемента содержится около 1,5%, то ставят единицу: 70Г, Х42Ф 1 .
Тема № 11

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ ПО НАЗНАЧЕНИЮ
В зависимости от назначения стали можно объединить в следующие группы.

Конструкционная сталь, идущая на изготовление деталей машин. Конструкционная (машиноподелочная) сталь, как правило, у потребителя подвергается термической обработке. Поэтому конструкционные стали подразделяют на цементуемые (подвергаемые цементации) и улучшаемые (подвергаемые закалке и отпуску, практически не обязательно высокому).

Близкие по составу к конструкционным сталям, но не предназначаемые для термической обработки у потребителя, объединяются в группу так называемых строительных сталей (они в основном применяются в строительстве). Часто их называют низколегированными.

Инструментальная сталь, идущая на изготовление режущего, измерительного, штампового и прочего инструмента. Инструментальные стали условно подразделяют на следующие четыре категории: углеродистые, легированные, штамповые и быстрорежущие.

Стали и сплавы с особыми свойствами. К ним относятся стали, обладающие каким-нибудь резко выраженным свойством: нержавеющие, жаропрочные и теплоустойчивые, износоустойчивые, с особенностями теплового расширения, с особыми магнитными и электрическими свойствами и т. д. В ряде случаев эти стали содержат такое большое количество легирующих элементов, что их нужно причислять не к сплавам железа, т.е. не к сталям, а к сложным многокомпонентным сплавам.
КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ
Сталь, применяемая для изготовления деталей машин, строительных конструкций и других сооружений, должна обладать высокими механическими свойствами. При этом сталь должна обладать высоким комплексом механических свойств, а не высоким значением какого-либо одного свойства. Материал, идущий на изготовление деталей, подвергающихся большим нагрузкам, должен хорошо сопротивляться таким нагрузкам и наряду с высокой прочностью обладать вязкостью, чтобы сопротивляться динамическим и сопротивляться динамическим и ударным воздействиям. Другими словами, материал должен обладать прочностью и надежностью.

В деталях, испытывающих знакопеременные нагрузки, металл должен обладать высоким сопротивлением усталости, а трущиеся детали -сопротивлением износу. Во многих случаях требуется хорошее сопротивление коррозии, ползучести и другим постоянным воздействиям. Это значит, что детали должны быть долговечными. Таким образом, детали машин должны быть изготовлены из прочного, надежного и долговечного материала.

Механические свойства стали зависят от ее структуры и состава. Совместное воздействие термической обработки и легирования является эффективным способом повышения механических характеристик стали. Возможными способами улучшения (повышения) механических характеристик стали являются: увеличение содержания углерода; легирование:, диспергирование структурных составляющих (путем понижения температуры превращения аустенита в сочетании с отпуском); измельчение зерна:, наклеп. Однако всякое упрочнение, проведенное указанными способами (кроме измельчения зерна и легирования никелем), снижает вязкость (повышает порог хладноломкости и уменьшает работу распространения трещины).

Поэтому при разработке составов конструкционных сталей и режимов их термической обработки нужно рассматривать такие способы, при которых пластические и вязкие свойства уменьшаются в минимальной степени.

Простое увеличение углерода при феррито-перлитной структуре (нормализованное состояние) приводит к повышению прочности и порога хладноломкости. Максимальная прочность при такой структуре соответствует содержанию углерода примерно 1% С и достигает всего лишь 100 кгс/мм² , тогда как. порог хладноломкости лежит ниже 0°С лишь при содержании углерода не более 0,4%.

Таким образом, предельное содержание углерода в термически не упрочненной стали с феррито-перлитной структурой составляет 0,4%. При этом сталь будет иметь бв =60 кгс/мм ² .

Если предъявить требования свариваемости, то содержание углерода должно быть снижено во избежание образования трещин в сварном шве и его охрупчивания; прочность при этом снизится до 35 кгс/мм².

Получение дисперсных структур в результате переохлаждения аустенита ведет к непрерывному повышению твердости и прочности: максимальную твердость (прочность) имеет мартенситная структура. При 0,4% С мартенситная структура имеет твердость около HRC 60 (НВ 650), что соответствует прочности порядка. 20-40 кгс/мм². Однако вязкость в этом случае недопустимо низкая, и должна быть повышена отпуском, правда, за счет снижения прочности.

Двойная обработка, при которой окончательная структура формируется не из аустенита, а из мартенсита, т.е. применение закалки с последующим отпуском позволяет широко изменять прочностные свойства от максимальных, соответствующих закаленному состоянию до минимальных, соответствующих отожженному, и важно, что при этом пластические и вязкие свойства оказывающей более высокие, чем при одинарной обработке (продукты распада аустенита).

Такое повышение качества стали в результате двойной термической обработки - закалки и высокого отпуска - называется термическим улучшением).

Оптимальные механические свойства достигаются в результате улучшения (или изотермической закалки), для чего аустенит должен быть при закалке переохлажден до температур образования мартенсита. В углеродистых сталях при применяемых на практике интенсивных закалочных средах (вода) сквозную закалку удается получить в сечениях до -10-15 мм.

Увеличить прокаливаемость термическими средствами (интенсификация охлаждения, выращивания зерна) нецелесообразно, так как возникает опасность получения закалочных дефектов и ухудшения вязких свойств.

Практически остается один способ углубления прокаливаемости -легирование. Было показано, что введение легирующих элементов приведет вначале к улучшению механических свойств (например, порога, хладноломкости) пока при данных условиях (размер деталей, условия охлаждения) не будет достигнута сквозная прокаливаемость, после чего дальнейшее увеличение содержания легирующего элемента приводит уже к ухудшению свойств. Режим термической обработки конструкционных сталей определяется главным образом содержанием углерода.

Рассмотрим применяемые на практике типичные режимы термической обработки для низкоуглеродистой (0,10-0,25% С) и среднеуглеродистой (0,30-0,45% С) сталей. Конструкционные стали подвергают двойной упрочняющей термической обработке - закалке + отпуску, причем среднеуглеродистые -обычно высокому отпуску (улучшению), низкоуглеродистые – низкому.

Режим закалки определяется положением критических точек и способностью аустенита к переохлаждению.

Нагрев под закалку проводят, как правило, до температур, незначительно превышающей (на 30-50°С) точку Асз .У большинства марок конструкционных низкоуглеродистых сталей эта температура находится около 900°С и у среднеуглеродистых - около 850°С. Низколегированные стали, как и углеродистые, следует закаливать в воде (и лишь при малых размерах - в масле), так как малая устойчивость переохлажденного аустенита в районе перлитного распада (около 600°С) делает необходимым быстрое охлаждение при закалке.

Увеличение содержания легирующих элементов приводит к увеличению устойчивости переохлажденного аустенита. В конструкционных сталях обычного состава содержание легирующих элементов таково, что становится возможной закалка в масле. В некоторых сталях с несколькими легирующими элементами (например, в хромовольфрамовых или хромоникельмолибденовых, сталях) перлитное превращение аустенита настолько задерживается, что охлаждением деталей больших размеров на спокойном воздухе достигается переохлаждение аустенита до температур мартенситного превращения. Рассматривая условия, которые необходимо создать для охлаждения при закалке легированных конструкционных сталей, мы должны вспомнить еще об одной особенности кинетики распада аустенита сталей, легированных карбидообразующими элементами. В этих сталях (низкоуглеродистых) скорость бейнитного превращения при 300 - 400°С оказывается существенно более высокой, чем скорость перлитного распада 500-600°С). Поэтому при закалке следует ускорять охлаждение в нижнем районе температур (при 300-400°С), чтобы избежать бейнитного превращения.

В виде общего вывода важно заметить, что у легированньк сталей мартенситная структура может быть достигнута более медленным охлаждением, чем у углеродистых; более медленное охлаждение создает меньшие внутренние напряжения, что является фактором, повышающим конструктивную прочность.