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: 8 из 9

Закалка стали на мартенсит - это первый этап термической обработки конструкционной стали. Низкая пластичность, значительные внутренние напряжения не допускают применения конструкционной стали только в закаленном состоянии. Необходим отпуск, повышающий пластичность и вязкость и уменьшающий внутренние напряжения. Отпуск - завершающая операция термической обработки конструкционной стали, окончательно формирующая ее свойства.

В низкоуглеродистой стали после закалки получается достаточно пластичный мартенсит.

Отпуск при 150°С снимает (конечно, только частично) внутренние напряжения и несколько повышает пластичность. В лучших сортах низкоуглеродистых легированных сталей при такой термической обработке (закалка + отпуск при 150°С) достигается высокий комплекс механических свойств ( до 130-140 кгс/мм² при =50-60% ). Структура после такой обработки состоит из отпущенного малоуглеродистого мартенсита.

Для среднеуглеродистых конструкционных сталей, у которых после закалки получается мартенсит с большим содержанием углерода, такой отпуск недостаточен, если стремиться получить высокую вязкость.

При низком отпуске прочность будет повышенной (σ_в =160-170 кгс/мм², а пластичность и вязкость - низкими. Поэтому для этих сталей необходим более высокий отпуск, который обычно проводят при 550-600°С. При этой температуре происходит полный распад мартенсита с образованием зернистой высокодисперсной феррито-карбидной смеси - сорбита. Механические свойства при этом будут примерно такими же, как и при низкотемпературном отпуске малоуглеродистых сталей т.е.σ _в=120-130 кгс/мм², σ = 50-60.

Типичным режимом термической обработки для получения лучшего комплекса механических свойств являются: для малоуглеродистых легированных сталей - закалка с 900°С в масле с отпуском при 150° (структура отпущенного мартенсита); для среднеуглеродистых легированных сталей -закалка с 850°С в масле с отпуском при 550-650°С (структура сорбита). В обоих случаях механические свойства, получаются почти одинаковые. Наиболее высокую прочность получают путем ТМО. Технологическое осуществление ТМО, однако, достаточно сложно.

Влияние температуры отпуска и скорости охлаждения после отпуска на ударную вязкость легированной конструкционной стали. Для случая медленного охлаждения после отпуска кривая ударной вязкости имеет два минимума - для отпуска, при 300°С и при 550°С. Охрупчивание стали при некоторых условиях отпуска, называется отпускной хрупкостью. Понижение вязкости при этом вызвано повышением температуры перехода в хладноломкое состояние. Различаются два рода отпускной хрупкости.

Отпускная хрупкость 1 рода проявляется при отпуске около 300°С у всех сталей, независимо от их состава и скорости охлаждения после отпуска.

Отпускная хрупкости II рода обнаруживается после отпуска, выше 500°С. Характерная особенность хрупкости этого вида заключается в том, что она проявляется в результате медленного охлаждения после отпуска: при быстром охлаждении вязкость не уменьшается, а монотонно возрастает с повышением температуры отпуска Однако отпускная хрупкость П рода снова может быть вызвана новым высоким отпуском с последующим замедленным охлаждением.

Цементуемые (низкоуглеродистые) стали. Рассмотрим некоторые наиболее распространенные низкоуглеродистые стали, применяемые для изготовления цеметуемых деталей. Как уже указывалось, для этой цели применяют стали с низким содержанием углерода (0,1-0,25%) с тем, чтобы после цементации, закалки и низкого отпуска получить твердый поверхностный слой и вязкую сердцевину. Твердость поверхности после такой обработки будет около HRС 60, а сердцевины - порядка HRC 15-30.

В деталях из углеродистой стали вследствие ее слабой прокаливаемости высокую твердость получает лишь поверхностный цементованный слой, а сердцевина не упрочняется.

В легированных же сталях упрочнение сердцевины при термической обработке (закалка +низкий отпуск) будет тем более значительным; чем больше углерода и легирующих элементов они содержат.

Цементуемые стали следует разделять на три группы:

углеродистые стали с не упрочняемой сердцевиной,

низколегированные стали со слабо упрочняемой сердцевиной,

относительно высоколегированные стали с сердцевиной, сильно упрочняемой при термической обработке.

Стали последней группы называют иногда высокопрочными цементуемыми сталями. К ним следует также отнести и стали со сравнительно невысоким содержанием легирующих элементов, но с повышенным содержанием углерода (0,25-0,30%).

Улучшаемые (среднеуглеродистые) стали. Улучшаемые стали содержат 0,3-0,4% С и разное количество легирующих элементов (хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, кремний) в сумме не более 3-5%, и часто около 0,1% измельчителей зерна (ванадий, титан, ниобий, цирконий). Обычная термическая обработка таких сталей закалка, в масле и высокий отпуск (660-650°). Чем больше в стали легирующих элементов, тем больше ее прокаливаемость. Поскольку механические свойства стали разных марок после указанной термической обработки в случае сквозной прокаливаемости близки, то не механические свойства, а прокаливаемость определяет выбор стали для той или иной детали.

Чем больше сечение детали, тем более легированную сталь следует выбирать. Во избежание развития отпускной хрупкости, что особенно опасно для крупных деталей, которые невозможны быстро охлаждать при отпуске, следует использовать стали, содержащие молибден (0,15-0,30%).

Сложные по конфигурации детали, особенно если они подвергаются ударным воздействиям, желательно изготавливать из сталей, содержащих никель. Интенсивность падения свойств при увеличении диаметра термически обрабатываемой заготовки тем меньше, чем более легирована сталь.

Строительная сталь. Строительная сталь предназначается для изготовления строительных конструкций- мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, котлов и т.д.. Все строительные стали как правило, являются сварными, и свариваемость- одно из основных свойств строительной стали. Поэтому строительная сталь-это низкоуглеродистая сталь, с С<0,22-0,25 %. Повышение прочности достигается легированием обычно дешевыми элементами марганцем и кремнием. В этом случае и при низком содержании углерода предел текучести возрастает до 40-45 кгс/ мм² (предел прочности до 50-60 кгс/ мм²), а при использовании термической обработки и выше. Простые углеродистые строительные стали-Ст1,Ст2 и СтЗ. Сталь 18Г2АФ имеет феррито-перлитную структуру, но с сильно измельченным зерном благодаря присутствию нитридов ванадия. Измельчение зерна обеспечивает повышение предела текучести примерно на 10кгс/ мм². Сталь Фортивелл имеет состав: 0.2% С; 0,5% Мо; 0,003% В. Легирование молибденом и бором, замедляющими распад аустенита, приводит к получению бейнитной структуры при охлаждении на воздухе. При содержании 0,2% С бейнитная структура имеет предел текучести 45 кгс/ мм² при хорошей пластичности.

Арматурная сталь. Для армирования железобетонных конструкций применяют прутки (гладкие и периодического профиля) и проволоку.

В предварительно напряженной железобетонной конструкции металл испытывает значительные напряжения, и поэтому в таких конструкциях применяют высокопрочные стальные стержни или высокопрочную проволоку.

В не напряженных конструкциях применяют стали обыкновенного качества, так как сталь не испытывает больших напряжений (СтЗ, Ст5),а в предварительно напряженных конструкциях-среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали в горячекатанном состоянии, а также упрочненные термической обработкой. Арматурная сталь делится на классы по прочности. Арматурная сталь классов A-I, А-П и A-III применяют для ненапряженных конструкций, а арматурную сталь -более высоких классов- для предварительно напряженных конструкций. Свойства, соответствующие классу A-IV, могут быть получены в горячекатанном состоянии в легированных сталях марок 20ХГЦ или 80С или в простой углеродистой стали марки Ст5 после упрочняющей термической обработки (закалка в воде, отпуск при 400°С). Сталь 23Х2Г2Т после горячей прокатки и низкотемпературного отпуска (300°С), применяемого главным образом для удаления из металла водорода, получает свойства класса A-V. Арматуру. более высоких классов (А-VI- A-VIII) изготавливают только с применением упрочняющей термической обработки.

Для работы при низких температурах лучше применять стали с более низким содержанием углерода или стали после термической обработки.

Пружинная сталь. Работа пружин, рессор и тому подобных деталей характеризуется тем, что в них используют только упругие свойства стали. Большая суммарная величина упругой деформации пружины (рессоры и т.д.) определяется ее конструкцией- числом и диаметром витков, длинной пружины. Главное требование состоит в том, чтобы сталь имела высокий предел упругости (текучести). Это достигается закалкой с последующим отпуском при температуре в районе 300-400°С. При такой температуре отпуска предел упругости (текучести) получает наиболее высокое значение, а то, что эта температура лежит в интервале развития отпускной хрупкости I рода, в силу содержания углерода как правило, все же более низким, чем у инструментальных. Сталь 23Х2Г2Т после горячей прокатки и низкотемпературного отпуска 300°С( применяемого главным образом для удаления из металла водорода сталей)имеет приблизительно 0,5-07%С, часто с добавками марганца и кремния .Для особо ответственных пружин применяют сталь 50ХФ, содержащую хром и ванадий и обладающую наиболее высокими упругими свойствами.

Термическая обработка пружин и рессор из легированных сталей заключается в закалке от 800-850° (в зависимости от марки стали) в масле или в воде с последующим отпуском в районе 400-500°С на твердость HRC 35-45. Это соответствует б_в=130-160 кгс/мм².

Шарикоподшипниковая сталь. Шарикоподшипниковая сталь прежде всего должна обладать высокой твердостью, поэтому применяют высокоуглеродистые стали типа инструментальной (иногда низкоуглеродистые в цементованном состоянии). Чтобы шарикоподшипниковая сталь легко принимала закалку (т.е. имела низкую критическую скорость закалки) и в качестве закалочной среды для нее можно было бы применять масло, сталь легируют (обычно хромом). Обозначение марки .например ШХ 15 надо расшифровывать так: шарикоподшипниковая хромистая; цифра показывает примерное содержание хрома в десятых долях процента. Хром, как указывалось, вводят для обеспечения необходимой прокаливаемости. Следовательно, чем меньше размер закаливаемой детали подшипника, тем меньше может быть содержание хрома в стали.

Рекомендуется шарики и ролики диаметром до 13,5 и 10 мм изготавливать из стали ШХ9, шарики диаметром 13,5 и 22,5 мм и ролики диаметром 10-15 мм- из стали ШХ12 и, наконец, шарики диаметром 22,5 мм и ролики диаметром 15-30 мм- из стали ШХ15. Из этой же стали следует изготавливать кольца всех размеров за исключением очень крупных; ролики диаметром свыше 30 мм и кольца с толщенной стенки свыше 15 мм- из стали марки ШХ15СГ, в которую, кроме хрома, вводят легирующие элементы- кремний и марганец, увеличивающие прокаливаемость.

Термическая обработка деталей шарикоподшипника (шарики, ролики, кольца) состоит из двух основных операций закалки и отпуска. Закалку проводят в масле, температура нагрева 830-840°С с последующим отпуском при 150-160°С в течении 1-2 ч, что обеспечивает получение твердости не ниже НRС 62. Структура должна представлять собой отпущенный очень мелко игольчатый мартенсит с равномерно распределенными избыточными карбидами.

Дефекты легированных сталей. Высокие механические свойства легированных сталей обеспечили им преимущественное применение по сравнению с углеродистыми во многих отраслях специального машиностроения (авиации, автомобилестроении и т.д.). Вместе с тем в легированных сталях чаще появляются различные дефекты, встречающихся, но реже в углеродистых сталях. Часто при самом строгом соблюдении правильно установленных технологических режимов эти дефекты не поддаются полному устранению. Важнейшие из них: отпускная хрупкость, дендритная ликвация и флокены (явление отпускной хрупкости).

Дендритная ликвация. Появление дендритной ликвации обусловлено неравновесной кристаллизацией сплавов. После прокатки или ковки получаются волокна, вытянутые вдоль направления деформации.

Для уменьшения дендритной ликвации прибегают к диффузионному отжигу слитков перед прокаткой, который состоит в длительном нагреве стали при весьма высоких температурах (1000-1200°С).

Флокены. Флокены представляют собой в изломе пятна (хлопья),а в поперечном микрошлифе - трещины. Естественно, что наличие трещин вызывает снижение механических свойств. Трещины - флокены тем более опасны, чем более высокую прочность имеет сталь. Флокены можно устранить последующей ковкой (прокаткой) на меньший размер, так как при этом трещины (флокены) завариваются. Флокены редко обнаруживаются в малых сечениях (диаметром менее 25-30 мм).

Тема № 12

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ
Основным требованием, предъявляемым к стали для режущего инструмента, является сохранение режущей кромки в течение длительного времени. В работе режущее лезвие инструмента тупится, изнашивается. В отличие от изнашивающихся частей деталей машин (валы, кулачки и т. д. ) у режущего инструмента работает на износ очень тонкая полоска металла при значительных давлениях на нее. Чтобы эта полоска металла была устойчивой против истирания, она должна иметь высокую твердость, как правило, выше HRC 60.

Условия работы измерительного инструмента в известной мере приближаются к условиям работы режущего инструмента при легких режимах резания, различие составляют лишь значительно меньшие удельные давления на рабочие поверхности.

Сталь в штампах испытывает значительные тепловые и ударные нагрузки, распределенные по сравнительно большой поверхности. Здесь большую роль играет вязкость. Наилучшей сталью является та, у которой при температурах, соответствующих условиям работы штампа, имеется наилучшее сочетание твердости и вязкости.

Инструментальные стали делятся на четыре категории:

1) пониженной прокаливаемости (преимущественно углеродистые);

2) повышенной прокаливаемости (легированные);

3) штамповые; 4) быстрорежущие.

В особую группу инструментальных материалов входят так называемые твердые сплавы, применяемые для инструмента, работающего на ocd6o высоких скоростях резания. Углеродистые и легированные стали применяются для режущего инструмента при легких условиях работы и для измерительного инструмента. Быстрорежущие стали используют для изготовления режущего инструмента, работающего при повышенных режимах.

Инструментальные стали пониженной прокаливаемости
В эту группу входят все углеродистые инструментальные стали, а также стали с небольшим содержанием легирующих элементов и поэтому не сильно отличающиеся от углеродистых по прокаливаемости. Важнейшее технологическое свойство слабая прокаливаемость - объединяет эти стали в одну группу.

Все стали указанной группы должны закаливаться в воде, и инструмент из этих сталей имеет, как правило, незакаленную сердцевину. Это следует учесть при выборе стали на инструмент, при его конструировании, проведении термической обработки и эксплуатации. Углеродистые инструментальные стали подразделяются на марки У 7, У 8, У 9, У10, У11, У12, У 13. Буква У показывает, что это сталь углеродистая, цифра- среднее содержание углерода в десятых долях процента (значит, сталь У7 содержит около 0, 7% С; У8- около 0, 8% С и т. д. ). Приведены легированные стали, отличающиеся некоторым повышением содержания марганца и введением около 0, 5% Сг (стали марок ХО6, Х05, 85ХФ).
Инструментальные стали повышенной прокаливаемости (легированные инструментальные стали)
В эту классификационную группу входят стали, содержащие легирующие элементы в количестве 1-3% и поэтому обладающие повышенной прокаливаемостью. Инструмент из этих сталей закаливается в масле (при ступенчатой закалке- в соли) и прокаливается, как правило, насквозь.

Меньшая скорость охлаждения при закалке уменьшает опасность образования трещин, деформации и коробления, к чему склонны углеродистые инструментальные стали. Это важно для многих видов инструментов, имеющих сложную конфигурацию. В I группу входят обычные легированные инструментальные стали, в которых присадка 1, 0-1, 5%Сг обеспечивает повышение прокаливаемости. Добавка кремния дает некоторое дополнительное увеличение прокаливаемости, а также повышает устойчивость против отпуска, что обеспечивает лучшую работоспособность инструмента. Группа II легированных сталей характеризуется повышенным содержанием марганца (при нормальном содержании кремния). Это приводит при закалке к увеличению количества остаточного аустенита и уменьшению деформации; поэтому эти стали можно назвать малодеформирующимися инструментальными.

В группу III входят высокотвердые стали, легированные вольфрамом, из которых сталь ХВ5 называется алмазной. Из-за худшей прокаливаемости по сравнению со сталями групп I и П эти стали можно отнести и к категории сталей пониженной прокаливаемости.
Быстрорежущие стали
Под быстрорежущими понимаются стали, предназначаемые для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Быстрорежущая сталь должна в первую очередь обладать высокой горячей твердостью и красно стойкостью. Температура разогрева инструмента зависит от условий резания. Чем производительнее работает инструмент, тем больше стружки он снимает в единицу времени; чем выше сопротивление материала отделению стружки, тем сильнее разогревается его режущая часть. В наиболее нагретой части резца температура достигает 600-700°С. Если под действием этой температуры сталь инструмента не размягчается, инструмент долгое время сохраняет износостойкость и режущие свойства.

Следует отметить, что твердость в холодном состоянии не определяет режущей способности стали. Твердость углеродистой стали выше, чем быстрорежущей, но ее режущие свойства намного ниже. Высокая твердость инструментальной стали необходима во всех случаях, но для быстрорежущего инструмента требуется высокая твердость не только в холодном состоянии, но и при повышенных температурах. Иначе говоря, быстрорежущая сталь должна устойчиво сохранять твердость в нагретом состоянии, это называется красностойкостью.

Чтобы сталь устойчиво сохраняла твердость при нагреве, нужно ее легировать такими элементами, которые затрудняли бы этот процесс коагуляции карбидов. Если ввести в сталь какой-нибудь карбидообразующий элемент в таком количестве, что он образует специальный карбид, то том, что специальный карбид выделяется из мартенсита и коагулирует при более высоких температурах, чем карбид железа, так как для этого углерода, но и диффузия легирующих элементов.

Таким образом, красностойкость создается легированием стали карбидообразующими элементами (вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием) в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в специальные карбиды. Наиболее распространенной быстрорежущей сталью является сталь Р18(0, 7%С; 18%W; 4%Cr и1%V), а также сталь Р6М5 (0, 9%С; 6%W; 5%Mo; 4%Cr; 2%V). Все быстрорежущие стали обозначают буквой Р (скорость), цифры после этой буквы показывают содержание основного легирующего элемента-вольфрама, а для вольфрамомолибденовых сталей и содержание молибдена. При высоком содержании ванадия среднее содержание его также отмечается в марочном обозначении цифрой после буквы Ф, а содержание кобальта буквой К и соответствующими цифрами. Хрома во всех сталях содержится около 4%, а углерода- в соответствии с содержанием ванадия (чем больше ванадия, тем больше углерода).