Матеріалознавство. Практикум Підзагальноюр едакціє юдокторатехнічнихн аук, про фе с ораА. Д. Ковал я Запоріжжя, 2011
 Скачать 4.78 Mb.
|
|
9.2 Завданнянапідготовкудолабораторноїроботи Описати вплив легувальних елементів на властивості фериту та аустеніту, поліморфізм заліза (схема, положення точок S та Е, прогартовуваність (критичну швидкість гартування – схема класифікацію легованих сталей за структурою та маркування сталей. 9.3 Контрольнізапитаннядлясамоперевіркиіконтролюпідготовленостідо лабораторної роботи 9.3.1. Що таке легована сталь ? Класифікація за призначенням. 9.3.2. Мета легування конструкційних та інструментальних сталей. 9.3.3. Взаємодія легувальних елементів із залізом та вуглецем. Їх вплив на властивості фериту. 9.3.4. Вплив легувальних елементів на критичні точки А, А та концентраційні точки S та Е. 9.3.5. Вплив легувальних елементів на діаграму ізотермічного перетворення аустеніту. 9.3.6. Класифікація легованих сталей за структурою у відпаленому сані. 9.3.7. Класифікація легованих сталей за структурою у нормалізованому стані. 9.3.8. Маркування конструкційних та інструментальних сталей. 9.3.9. Швидкорізальні сталі. Особливості їх структури та властивостей. 9.3.10. Особливості термічної обробки інструментів із швидкорізальних сталей. 9.4 Матеріали, інструменти, приладитаобладнання Робота виконується на металографічних мікроскопах МІМ-5 та МІМ-7. Добірка шліфів містить конструкційні та інструментальні сталі 104 9.5 Вказівкизтехнікибезпеки Робота виконується відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки (додаток А. 9.6 Порядоквиконанняроботи 9.6.1. Переглянути мікроструктуру зразків конструкційних сталей. Використовуючи довідникові дані, визначити структурні класи, кінцеву термічну обробку та структуру після термічної обробки, властивості та призначення конструкційних сталей. 9.6.2. Зарисувати (схематично) мікроструктуру конструкційних сталей. Вказати в табл. 9.1 хімічний склад, призначення, структурні класи, режим термічної обробки, структуру та властивості (твердість) після термічної обробки. Таблиця 9.1 - Хімічний склад, структура, призначення та властивості конструкційних сталей Структурні класи Після ТОМ ар каста л і Х ім іч ни й склад При зн ач ен н я С тр у к тура до ТО У в ід паленому стан і У н о р м ал із о в ан ому стан і Режим ТО С тр у к тура Тверд іс ть , H R C 9.6.3. Переглянути мікроструктуру зразків інструментальних сталей. Використовуючи довідники, визначити структурні класи, термічну обробку та структуру після термічної обробки, властивості та призначення інструментальних сталей. 9.6.4. Зарисувати схематично мікроструктуру інструментальних сталей. Занести в таблицю 9.2 хімічний склад, призначення, структурні класи, термічну обробку, структуру та твердість після термічної обробки. 105 Таблиця 9.2 - Хімічний склад, структура, призначення та властивості інструментальних сталей Структура Після ТОМ ар каста л і Х ім іч ни й склад При зн ач ен н я У в ід паленом уста н і У н о р м ал із о в ан ому стан і До ТО ОС тру к тура. Зарисувати та пояснити графік термічної обробки швидкорізальної сталі. 9.7 Змістзвіту Основні загальні відомості відповідно до завдання на підготовку до лабораторної роботи. Рисунки 9.1, 9.3, 9.4, 9.5; схеми мікроструктур розглянутих зразків сталей, таблиці 9.1 та 9.2, висновки. 9.8 Рекомендованалітература [ 2 ] , с. 230-252; [ 3 ] , с. 341-390, 411-445; [ 5 ] , с. 250-290; 308-320; [ 6 ] , с. 124-148, 360-371. 106 ЛАБОР АТО Р НАР ОБОТА№ 10 Вивч енняструктури, вл астив остейтапризнач ення спеці альни хстал ейтасп лаві в Метароботи – вивчити особливості структури і властивості спеціальних сталей та сплавів, класифікацію їх за структурою. Ознайомитися із призначенням спеціальних сталей та сплавів. 10.1 Загальнівідомості 10.1.1 Корозійностійкі (неіржавіючі) сталі Корозіяметалів - це процес їх руйнування внаслідок взаємодії з оточуючим середовищем. Розрізнюють два види корозії: електрохімічну (в рідких електролітах - у вологій атмосфері, воді, розчинах кислот, лугів, солей тощо) та хімічну (найчастіше у газовому середовищі). Сталі, стійкі в умовах електрохімічної корозії, звуться корозійностійкими. В умовах електрохімічної корозії встановлюється корозійний струм, і відбувається розчинення металу внаслідок взаємодії з електролітом. При корозії руйнуються лише анодні ділянки, тому фазовий склад та структура при однаковому хімічному складі впливають на корозійну стійкість (більшу стійкість має однофазна крупнокристалічна структура. У залежності від умов розрізняють атмосферну, кислотну, лужну, морську та інші види корозії. За характером руйнування може бути рівномірна (загальна) та місцева локальна) корозія. Корозійна стійкість сталі поліпшується легувальними елементами, що викликають пасивацію (підвищення електрохімічного потенціалу, створення однофазної структури). Прикладом корозійностійких матеріалів можуть бути хромисті, хромонікелеві та хромомарганцеві сталі. При об’ємному та поверхневому легуванні хромом (>12,5%) сталь стає пасивною, значно знижується корозійний струм та швидкість корозії. При кількості хрому більше 17% маловуглецеві сталі набувають однофазної структури, що збільшує корозійну стійкість, але виключає можливість зміцнення термічною обробкою. Структура хромистих корозійностійких сталей залежить від кількості вуглецю та хрому (рис. 10.1). Наприклад, сталі, що містять 13% Cr, при нагріванні та охолодженні зазнають перетворення γγγγ αααα , тому можуть зміцнюватись термічною обробкою, не втрачаючи корозійної стійкості. Концентрація 107 вуглецю в них зумовлює твердість, міцність та пластичність після гартування та відпускання. Так сталі Х, Х мають достатню пластичність і можуть деформуватися при кімнатній температурі, а сталі Х, Х використовують лише після гарячої деформації. Рисунок 10.1 - Структурна діаграма системи С (стан рівноваги) При введенні до неіржавіючої сталі аустенітостабілізаторів її структура у нормалізованому стані може бути визначена за допомогою діаграми Шефлера (рис. 10.2) після розрахунку еквівалентів хрому та нікелю. Рисунок 10.2 - Структурна діаграма корозійностійких сталей (нормалізований стан) Якщо у складі неіржавіючої сталі кількість нікелю становить не менше половини від кількості хрому, то її структура аустенітна (наприклад, 08Х18Н9). Аустенітні сталі мають перевагу перед феритними у наслідок доброї технологічності (штамповність, зварюваність), та головним чином, високої в’язкості за низьких температур. Сталі феритного класу не можна використовувати за температур нижче мінус С внаслідок різкого зниження ударної в’язкості, а сталі аустенітного класу залишаються вязкими при охолодженні до кріогенних температур (мінус С. 109 Корозійностійкі сталі при нагріванні до певних температур оброблення здатні до міжкристалітної корозії (МКК), що повязано з виділенням карбідів Сна межах зерен, унаслідок чого примежові ділянки матриці збіднюються хромом, що викликає зниження електрохімічного потенціалу та розвиток корозії на них. При суцільному збідненні межі стають анодами та вибірково руйнуються. Для боротьби з МКК або зменшують кількість вуглецю у сталі, або додають більш сильний, ніж хром, карбідоутворювач, що зв’язує весь вуглець, залишаючи хрому твердому розчині (наприклад, титану співвідношенні Ті/С ≥ 5, або ніобій). Сталі, здатні протистояти МКК, звуться стабілізованими (04Х18Н10, 12ХІ8Н10Т). 10.1.2 Жаростійкі (окалиностійкі) сталі Такі сталі здатні протистояти газовій корозії при температурах, вищих Ста працювати без навантаження або у слабконавантаженому стані. Стійкість металів та стопів проти окислення залежить від щільності оксидної плівки, співвідношення питомого об’єму оксиду та металу, дифузійної рухомості атомів металу через оксид, коефіцієнтів лінійного, термічного розширення матриць та оксиду. При нагріванні заліза утворюється здебільшого оксид FeO, який характеризується низькою щільністю та високою дифузійною рухомістю атомів заліза у FeO. Тому залізо інтенсивно окислюється при температурах вище С. Жаростійкість заліза та сталі можна підвищити легуванням хромом, кремнієм, алюмінієм, які мають велику хімічну спорідненість до кисню та утворюють щільні захисні оксидні плівки Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 , SiO 2 , а також подвійні оксиди - шпінелі FеО ⋅ Cr 2 O 3 , О з високими захисними властивостями. Жаростійкість є структурно нечутливою властивістю, залежить лише від кількості легувальних елементів. З ростом концентрації хрому, алюмінію, кремнію зростає також жаростійкість сталі, наприклад, сталь 08ХІ7Т жаростійка до С, І5Х25Т – до С, Х23Ю5 – до 1З00°С). 10.1.3 Жароміцністалітастопи Жароміцність - це здатність матеріалу тривалий час протистояти деформуванню та руйнуванню при підвищених (>0,3Тпл) температурах. При тривалому навантаженні у цих умовах поведінка матеріалу зумовлюється дифузійними процесами та визначається розвитком процесу повзучості. 110 Повзучість - це повільне зростання пластичної деформації під дією напружень, що менше границі плинності при температурі випробування або експлуатації. Критеріями жароміцності є границі повзучості та тривалої міцності. Границяповзучості - це напруження, що викликає задане відносне видовження за відповідний час чи швидкість деформації повзучості при певній температурі. Наприклад, якщо при σ =140 МПа відносне видовження склало 1% за 5000 годин при С, границя повзучості позначається таким чином МПа 140 1000 5000 1 ==== σσσσ Границятривалоїміцності - це напруження, що приводить до руйнування за певний час при заданій постійній температурі. Наприклад, якщо руйнування при С відбулося за 100 годин під напруженням 120 МПа, границя тривалої міцності позначається як МПа 120 700 100 ==== σσσσ Висока жароміцність досягається у тому випадку, коли структура сталі не зазнає змін під дією температури та напружень, і в сталі (сплаві) ускладнено перебіг процесів рекристалізації, дифузії та пластичної деформації. У зв’язку з цим для підвищення жароміцних властивостей сталей та сплавів використовуються: метали основи сплавів з підвищеною температурою плавлення; легувальні елементи для забезпечення зміцнення твердого розчину хром, вольфрам, молібден, ванадій), атоми цих легувальних елементів ефективно протидіють деформації та рекристалізації; структури з рівномірно розподіленими дисперсними частинками карбідів VC, WC, Mo 2 C та інтерметалідів Ni 3 Ti, Ni 3 (Al,Ti), що когерентно зв’язані з матрицею (формуються за допомогою легування та термічної обробки). Рекристалізація контролюється дифузією, тому більш високу жароміцність мають сталі аустенітного класу, в яких дифузійна рухомість атомів у γγγγ -фазі в 20...30 разів менша, ніж у α αα α -фазі. При підвищених температурах деформація та руйнування відбувається перш за все по межам зерен, тому укрупнення зерен (зі зменшенням сумарної довжини границь) сприяє збільшенню жароміцності. За структурою в нормалізованому стані жароміцні сталі поділяють на перлитні, мартенситні та аустенітні. З перлитних сталей (25Х2МФА, 111 12Х1МФ) виготовляють деталі обладнання, що працюють при температурах не вище С. Їх термічна обробка складається з нормалізації та відпускання при С. Мартенситні сталі використовуються для деталей газових турбін (15Х11МФ), клапанів двигунів внутрішнього згорання (40Х9С2, 40Х10С2М) після гартування Ста відпускання (С. Аустенітні сталі можуть бути зі зміцненням лише твердого розчину, із твердорозчинним, карбідним або (та) інтерметалідним зміцненням. Сталі зі зміцненням твердого розчину (наприклад, 09ХІ4Н19В2БР) використовують після гартування з С, що забезпечує отримання твердого розчину. Сталі з карбідним (40Х15Н7Г7Ф2МС) та інтерметалідним зміцненням (10Х11Н23ТЗМР) піддають гартуванню та старінню. Нагрівання та витримка при С приводять до розчинення карбідів чи інтерметалідів, а внаслідок гартування фіксується пересичений γγγγ -твердий розчин. Старіння при С використовується для виділення високодисперсних частинок WC, VC, Mo 2 C, і та досягнення високої жароміцності. Інтерметаліди більш стійкі до коагуляції, тому сталі, що зміцнені фазою Ni 3 (Al,Ti), мають підвищену жароміцність. Якщо робочі температури у газових турбінах перевищують Сто для виготовлення деталей газового тракту використовують жароміцні сплави, як правило, на основі Ni (ХН77ТЮР та інші), які також піддають гартуванню та старінню. У високолегованих сплавах виділення високодисперсних карбідів та інтерметалідів відбувається у процесі охолодження при гартуванні і продовжується при експлуатації, тому старіння при термічній обробці може не здійснюватися. 10.1.4 Зносостійкісталі Для роботи траків гусеничних машин, ковшів екскаваторів та деяких інших деталей характерно тертя з високим тиском та ударними навантаженнями. Тому такі деталі виготовляють з високомарганцевої сталі ГЛ, що містить Ста. Висока зносостійкість цієї сталі зумовлена здатністю аустеніту до сильного деформаційного зміцнення (наклепу, максимальна зносостійкість досягається у разі однофазної структури сталі, що забезпечується гартуванням від Су воду. Після гартування сталь має низьку твердість (НВ 200) та високу 112 в’язкість. За умов тільки абразивного зношування сталь не зносостійка. За умов ударного впливу твердість підвищується до НВ600, внаслідок чого сталь стає зносостійкою. Сталь погано обробляється різанням, тому деталі виготовляють литвом (літера Л у маркуванні). 10.2 Завданнянапідготовкудолабораторноїроботи 10.2.1 Описати вплив легувальних елементів на корозійну стійкість, жаростійкість та жароміцність легованих сталей і сплавів; вимоги до структури для забезпечення необхідних властивостей. 10.2.2 Ознайомитися із визначенням структури в рівноважному та нормалізованому станах корозійностійких сталей (рис. 10.1 та 10.2). 10.3 Контрольнізапитаннядлясамоперевіркиіконтролюпідготовленості до лабораторноїроботи 10.3.1. З’ясувати вплив легувальних елементів на поліморфізм заліза та стійкість переохолодженого аустеніту. 10.3.2. Класифікація легованих сталей за призначенням та їх маркування. 10.3.3. Класифікація легованих сталей за структурою в рівноважному та нормалізованому стані. 10.3.4. Неіржавіючі сталі та принципи їх легування. 10.3.5. Жароміцні сталі та сплави. Що таке жароміцність та жаростійкість? 10.3.6. Фактори, що впливають на підвищення жароміцності сталей та сплавів. 10.3.7. Термічна обробка жароміцних сталей аустенітного класу та сплавів на основі нікелю 10.4 Матеріали, інструменти, приладитаобладнання Робота виконується на металографічному мікроскопі МІМ-5 та МІМ-7. Добірка шліфів містить неіржавіючі, жароміцні, жаростійкі сталі та сплави, зносостійку сталь після термічної обробки. 10.5 Вказівкизтехнікибезпеки Робота виконується відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки (додаток А. 10.6 Порядоквиконанняроботи 10.6.1 Переглянути мікроструктуру зразків сталей та сплавів з особливими властивостями. 113 10.6.2 Із використанням довідкових даних визначити структуру, основну термічну обробку, властивості та призначення матеріалів. 10.6.3 Зарисувати (схематично) мікроструктуру сталей та сплавів зі спеціальними властивостями. Вказати структурні складові, хімічний склад, призначення, термічну обробку, властивості сталей (сплавів), заповнити таблицю 10.1. Таблиця 10.1 - Склад, структура та властивості спеціальних сталей та сплавів Структурний клас до ТО Після ТОМ ар каста л і, сплаву Хіміч ни й склад При зн ач ен н я С тр у к тура до ТО П іс ля в ід палю ван н я П іс ля норм ал іза ц ії ТО Структура Власти во сті В и кори стан н я Змістзвіту Основні загальні відомості відповідно до завдання на підготовку до лабораторної роботи. Рисунки 9.3, 10.1. Схеми мікроструктур розглянутих зразків, таблицю 10.1 10.8 Рекомендованалітература [ 2 ] , с. 252-262; [ 3 ] , с. 448-498; [ 5 ] , с. 290-308; [ 6 ] , с. 269-295. 114 ЛАБОР АТО Р НАР ОБОТА№ 11 Кольоро віметалитаспл авин аїхосн ові Метаробо ти - ознайомитися з мікроструктурою, основними властивостями, маркуванням та використанням сплавів на основі міді, алюмінію, титану. Вивчити вплив термічної обробки дюралюміну на його властивості. 11.1 Загальнівідомості Сплави кольорових металів використовуються в машинобудуванні в меншому обсязі, ніж сплави на основі заліза. Однак вони мають деякі особливості: високу границю пружності, корозійну стійкість, малу густину (А, Ti), високу тепло- і електропровідність, антифрикційні властивості, що необхідні для певної номенклатури деталей. 11.1.1 Сплавинаосновіміді М і д ь - метал з температурою плавлення 108З°С та густиною 8940 кг/м 3 , має ГЦК кристалічну гратку. Мідь відзначається високою теплота електропровідністю, пластичністю та корозійною стійкістю. У відпаленому стані для неї характерна низька міцність (В МПа) та висока пластичність ( δ =50%). Вона легко полірується, гарно паяється та зварюється. Недоліки: висока густина, погано обробляється різанням через високу в’язкість, має низьку рідкотекучість. Умашинобудуваннівикористовуютьміднісплави: латуніта бронзи. Латуні - це сплавив яких основним легувальним елементом є цинк. Розрізнюють подвійні (з єдиним легувальним елементом - цинком) та багатокомпонентні (леговані спеціальні) латуні. При легуванні спеціальних латуней алюмінієм, залізом, нікелем, марганцем, кремнієм, оловомтаберилієм підвищується їх міцність, корозійна стійкість, пружні властивості при збереженні пластичності. Цинк, алюміній, олово підвищують пластичність до 65%. За технологічними ознаками спеціальні латуні поділяють на деформівні та ливарні. Подвійні латуні маркуються літерою Л та цифрами, що вказують середній вміст міді. Наприклад, латунь Л містить 80 %Cu та 20%Zn. У спеціальних латунях, окрім того, вказують основні легувальні елементи А - алюміній, Ж - залізо, Мц - марганець, К - кремній, О - олово, С - свинець та інші) та їх середній вміст у процентах. Наприклад, латунь ЛЖМц-55-3-1 містить (у середньому) 55 %Cu, 3%Fe, 1 %Mn, решта - цинк. У марках ливарних латуней вказують кількість цинку, а вміст кожного легувального елементу ставлять безпосередньо після літери, що відповідає його назві. Так, латунь ЛЦ40Мц3А містить 40 %Zn, 3 %Mn, 1%Al, решта – мідь. Найбільша розчинність цинку в міді дорівнює 39 % (рис. 11.1). За концентрації цинку до 39 % латуні мають однофазну структуру (наприклад, Л, фаза – це твердий розчин заміщення цинку в міді. Зі зростанням вмісту цинку до 39% підвищується не тільки міцність, ай пластичність латуней (див. рис. 11.1, б. Сплави із 39...45 %Zn мають двофазну структуру ( α αα α |