71759

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ (Часть 2)

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

Изложены основные теоретические положения и методические указания к выполнению следующих лабораторных работ по курсу Материаловедение: Изучение зависимости между структурой и свойствами чугунов Закалка стали Отпуск закаленной стали Изучение зависимости между структурой и свойствами стали...

Русский

2014-11-11

2.94 MB

14 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT 46

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Технологии металлов»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум

Часть 2

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов дневной и заочной форм обучения

Могилев 2007


УДК 620.22

ББК

       М

Рекомендовано к опубликованию

учебно-методическим управлением

ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет»

Одобрено кафедрой «Технология металлов» «31» августа 2007г.,

           протокол № 1

Составители: д-р техн. наук, проф. Ф. Г. Ловшенко

канд. техн. наук, доц. Г. Ф. Ловшенко

ст. преподаватель А. И. Хабибуллин

Рецензент канд.техн.наук, доцент Н. С. Гарлачов Н.С.

Изложены основные теоретические положения и методические указания к выполнению следующих лабораторных работ по курсу «Материаловедение»: «Изучение зависимости между структурой и свойствами чугунов», «Закалка стали», «Отпуск закаленной стали», «Изучение зависимости между структурой и свойствами стали после различных видов термической обработки», «Пластические массы», «Изучение зависимости между структурой и свойствами легированных сталей».

Учебное издание

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Ответственный за выпуск                           Г. Ф. Ловшенко

Технический редактор                               А. Т. Червинская

Компьютерная верстка                             Н. П. Полевничая

Подписано в печать       Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.

Печать трафаретная .Усл. печ. л.   Уч. -изд. л.  Тираж 315 экз.  Заказ №

Издатель и полиграфическое исполнение:

Государственное учреждение высшего профессионального образования  

«Белорусско-Российский университет»

212005, г. Могилев, пр. Мира, 43

© ГУ ВПО «Белорусско-Российский

университет», 2007

Содержание

9 Лабораторная работа № 9. Изучение зависимости между структурой и свойствами чугунов

4

10 Лабораторная работа № 10. Закалка стали

11

11 Лабораторная работа № 11. Отпуск закаленной стали

17

12 Лабораторная работа № 12. Изучение зависимости между структурой и свойствами стали после различных видов термической обработки

21

13 Лабораторная работа №13.Пластические массы

30

14 Лабораторная работа № 14. Изучение зависимости между структурой и свойствами легированных сталей

39


Список литературы

48

Часть 2

9 Лабораторная работа № 9. Изучение зависимости между структурой и свойствами чугунов

Цель работы: изучение микроструктуры чугунов разных марок, их свойств и области применения.

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % углерода. В машиностроении чугун является одним из основных литейных материалов, что объясняется прежде всего его хорошими литейными и прочностными свойствами. Он не подвергается обработке давлением. Главным фактором, определяющим свойства, а, следовательно, и область использования чугуна, является его структура.

По структуре чугуны делят на белые (БЧ), серые (СЧ), ковкие (КЧ) и высокопрочные (ВЧ).

Основной особенностью белых чугунов является то, что в них углерод связан в химическое соединение – цементит (Fe3C). Структура белых чугунов описывается метастабильной диаграммой Fe-Fe3C (рисунок 9.1).

 

 

Рисунок 9.1 – Диаграмма Fe-C (сплошные линии – диаграмма Fe-Fe3C, штриховые – Fe-графит)

Белые чугуны подразделяются на доэвтектические (С = 2,14-4,3 %), эвтектические (С = 4,3 %) и заэвтектические (С = 4,3-6,67 %) (рисунок 9.2).

  а)                                            б)                                             в)

                  

а – доэвтектический, б – эвтектический, в – заэвтектический (х200)

Рисунок 9.2 – Микроструктура белых чугунов

Высокая твердость и хрупкость цементита определяют свойства белого чугуна. Как и цементит он имеет высокую твердость и хрупкость и применения в качестве конструкционного материала он практически не находит.

В сером, ковком и высокопрочном чугунах весь углерод или часть его выделяется в виде графита. Причем в сером чугуне графит имеет пластинчатую форму, в ковком – хлопьевидную и в высокопрочном шаровидную (рисунок 9.3).

 а)                                            б)                                              в)

                 

а – пластинчатая в сером; б – хлопьевидная в ковком; в – шаровидная в высокопрочном (х200)

Рисунок 9.3 – Форма графитных включений в чугуне

Включения графита располагаются в металлической основе, которая в зависимости от условий получения материала может быть ферритной, перлитной или ферритно-перлитной. Схема структуры этих материалов приведена на рисунке 9.4. Кроме этого на схеме представлен чугун с графитом вермикулярной формы. Этот материал, как и в случае чугунов с включениями графита шаровидной формы, относят к высокопрочным.

Рисунок 9.4 – Классификация чугуна по структуре металлической основы и форме графитных включений

Структура серого чугуна формируется непосредственно при кристаллизации его в отливке в соответствии с диаграммой стабильного равновесия системы «Fe – графит». Характер структурообразования при эвтектическом превращении определяется прежде всего содержанием углерода и кремния в сплаве, а также скоростью охлаждения. Установлено, что чем больше углерода и кремния в сплаве и чем ниже скорость его охлаждения, тем выше вероятность кристаллизации по диаграмме стабильного равновесия с образованием графитной эвтектики по схеме

Ж(С’)  А(Е’) + Г.

Обычно в серых чугунах содержится 3,0...3,7 % С; 1,2...2,6 % Si. Высокое содержание кремния в сером чугуне объясняется тем, что кремний является сильным графитообразующим элементом. Растворяясь в аустените, кремний способствует уменьшению растворимости углерода в нем. В результате жидкая фаза обогащается углеродом и процесс образования графита облегчается.

При конструировании деталей машин следует учитывать, что серые чугуны работают на сжатие лучше, чем на растяжение. Они мало чувствительны к надрезам при циклическом нагружении, хорошо поглощают колебания при вибрациях, обладают высокими антифрикционными свойствами из-за смазывающей способности графита. Серые чугуны хорошо обрабатываются резанием, дешевы и просты в изготовлении.

Согласно ГОСТ 1412-85, отливки изготавливают из чугуна следующих марок: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ25, СЧ3О, СЧ35. Цифры в обозначении марки соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении В, кгс/мм2. Чугун СЧ10 – ферритный, СЧ15, СЧ18, СЧ20 – ферритно-перлитные, начиная с СЧ25 – перлитные. Из ферритно-перлитных чугунов в автомобилестроении изготавливают картеры, тормозные барабаны, крышки и др.; из перлитных – блоки цилиндров, гильзы, маховики и др. В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы и верхние салазки, шпиндельные бабки, колонки, каретки и др.). Для производства деталей с толщиной стенок менее 100 мм рекомендуются чугуны СЧ28, СЧ30, более 100 мм – СЧ35. Из серого чугуна, содержащего фосфор (0,5 % Р), изготавливают художественные изделия.

Высокопрочный чугун получают модифицированием (микролегированием) жидкого чугуна присадками (0,1...0,5 % магния от массы обрабатываемой порции чугуна, 0,2…0,3 % церия, иттрия и некоторых других элементов). Модифицирование приводит к образованию графита шаровидной формы, негативное влияние которого на прочность материала значительно ниже, чем пластинчатого графита.

Химический состав высокопрочного чугуна (2,7...3,7 % С; 0,5...3,8 % Si) выбирается в зависимости от толщины стенки отливки (чем тоньше стенка, тем больше углерода и кремния).

Согласно ГОСТ 7293-85, отливки изготавливают из высокопрочного чугуна следующих марок: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100 (цифры в обозначении соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении В, кгс/мм2). Высокопрочный чугун широко применяется в практике взамен стального литья, поковок, штамповок, ковкого и серого чугуна, обеспечивая надежность и долговечность изделий в различных режимах эксплуатации.  Отличительные особенности ВЧ в сравнении со сталью - более высокое отношение предела текучести к пределу прочности при растяжении, равное 0,70 – 0,80 (против 0,50 – 0,55 для стали); низкая чувствительность к концентраторам напряжений; повышенная (в 1,5 – 3,5 раза) циклическая вязкость и другие – позволяют считать этот конструкционный материал более эффективным, чем сталь, особенно в условиях действия динамических нагрузок. Высокая жидкотекучесть этого материала открывает возможности расширить номенклатуру изделий из него, снизить сечение и массу отливок, повысив тем самым их жесткость.  Широкое использование ВЧ в деталях машин наряду с их надежностью является мощным резервом снижения расхода материалов, энергозатрат, себестоимости изделий и улучшения показателей их работы. В мировой практике ВЧ применяют для литья блоков цилиндров, шатунов, головок блоков, выхлопных коллекторов, тормозных барабанов, дисков сцепления, суппортов тормозных систем, поршневых колец, кронштейнов, подвесок, коленчатых и распределительных валов, деталей трансмиссии, крышек подшипников, ступиц колес, зубчатых колес и ряда других деталей. Столь широкое применение ВЧ обусловлено уникальным сочетанием физико-механических и литейных свойств, превосходящих свойства  многих сталей.

 Ковкий чугун получают путем отжига белого чугуна. Рекомендуемый химический состав заливаемого в формы сплава следующий: 2,4...2,9 % С; 1,0...1,6 % Si; 0,3...1,0 % Мn. Содержание углерода и кремния подбирается из расчета Si + C  3,8 %. При таком составе сплава и ускоренном охлаждении (для этого толщина стенок отливки не должна превышать 20 мм, в отдельных  случаях 50 мм) в отливке формируется структура белого доэвтектического чугуна П + Л(П + Ц) + ЦII. После охлаждения закристаллизовавшуюся отливку подвергают графитизирующему отжигу, в процессе которого метастабильная (неустойчивая) фаза – цементит – распадается с образованием графита хлопьевидной формы. Отжиг состоит из двух стадий (рисунок 9.6). Первая осуществляется выше температуры точки Ас1 при 950...1050 °С. Длительность первой стадии отжига должна быть такой, чтобы весь цементит, входящий в состав ледебурита, распался на аустенит и графит. Металлическая основа чугуна формируется на второй стадии отжига при эвтектоидном превращении. В случае непрерывного охлаждения отливки в области эвтектоидной температуры аустенит распадается на перлит пластинчатый. Получается ковкий чугун с перлитной металлической основой. Он обладает высокими твердостью (235...305 НВ) и прочностью (В = 650...800 МПа) в сочетании с небольшой пластичностью ( = 3,0...1,5 %). Для повышения пластичности при сохранении достаточно высокой прочности проводится непродолжительная (2...4 ч) изотермическая выдержка чугуна или замедленное охлаждение при температурах 690...650 °С. Это вторая стадия отжига, представляющая собой в данном случае отжиг на зернистый перлит. Перлит пластинчатый переходит в перлит зернистый путем сфероидизации (округление) пластин цементита.

Наряду с ковким чугуном имеющим  перлитную основу широко распространен в машиностроении ферритный ковкий чугун, характеризующийся высокой пластичностью ( = 10...12 %) и относительно низкой прочностью (В = 370...300 МПа). Ферритная основа чугуна образуется при очень медленном прохождении интервала 760...720 °С или в процессе изотермической выдержки   при   720...700 °С. Здесь аустенит и цементит, в том числе и цементит перлита, если перлит успел образоваться, распадаются на Ф + Г.

Согласно ГОСТ 1215-79, выпускаются следующие марки ковких чугунов:  КЧЗ0-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2, КЧ80-1,5.  Первые две цифры в обозначении марки соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении В, кгс/мм2, цифры после тире – относительному удлинению при растяжении , %. Первые четыре марки, имеющие повышенные значения , относятся к ферритным чугунам, все последующие – к перлитным.

Рисунок 9.6 – График отжига белого чугуна на ковкий

Перечень литых изделий из КЧ весьма разнообразен (пробки, гайки, втулки, фланцы, кронштейны, ступицы, тормозные колодки, коленчатые валы и др.). Толщина их стенок составляет 3...50 мм, масса деталей – от нескольких граммов до нескольких тонн.

Существенным недостатком технологического процесса получения КЧ является длительный отжиг отливок, продолжительность которого составляет 2040 ч, и ограничение толщины их стенок (до 50 мм). В массивных отливках в результате замедленного охлаждения при первичной кристаллизации возникает пластинчатый графит, который снижает прочность и пластичность металлической основы чугуна.

Задание по работе

1 Вычертить двойную диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов, ее участок, соответствующий чугунам.

2 Описать фазы и фазовые превращения, возможные в чугунах.

3 Дать характеристику белым чугунам. Изучить, зарисовать и объяснить их микроструктуру. Указать химический состав. Описать процесс структурообразования БЧ химического состава, заданного преподавателем. Описать свойства и назвать область использования БЧ.

4 Дать характеристику серым чугунам. Указать их химический состав, описать процесс структурообразования. Изучить, зарисовать и объяснить микроструктуру. Привести марки СЧ, назвать их механические свойства и область применения.

5 Дать характеристику ковким чугунам. Описать способ их получения, начертить график отжига. Объяснить формирование структуры КЧ с определенной (по заданию преподавателя) металлической основой. Изучить, зарисовать и объяснить микроструктуру. Указать химический состав, свойства и область применения КЧ. Объяснить принцип их маркировки.

6 Дать характеристику высокопрочным чугунам. Объяснить способ получения, указать химический состав. Изучить, зарисовать микроструктуру. Назвать марки ВЧ, их свойства, область применения и преимущества перед другими (СЧ и КЧ) чугунами.


10 Лабораторная работа № 10. Закалка стали

Цель работы: изучение  основ теории и технологии закалки сталей.

Закалкой называется вид термической обработки, который заключается в нагреве стали на 30...50 оС выше температур критических точек Ас1 или Ас3 диаграммы состояния “Fe-Fe3С” в соответствии с рисунками 10.1 и 10.2, выдержке при этих температурах для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении в область мартенситного превращения со скоростью выше критической (Vк, рисунок 10.3). Под критической скоростью закалки понимается минимальная скорость охлаждения, обеспечивающая бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит.

Рисунок 10.1 – Режим нагрева стали          Рисунок 10.2 – Диаграмма Fe-Fe3C

Рисунок 10.3 – Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита

Целью закалки является повышение твердости, прочности и долговечности механизмов машин и инструмента.

В зависимости от температуры нагрева закалку подразделяют на полную и неполную. В первом случае сталь нагревается выше температур Ас3 или Асm в область аустенита. Во втором – выше температуры Ас1, но ниже Ас3 или Асm в область, где наряду с аустенитом в доэвтектоидной стали присутствует феррит, а в заэвтектоидной – цементит (см. рисунок 10.2).

Доэвтектоидные стали (<0,8 % С) подвергаются полной закалке.  Нагрев осуществляется на 30...50 оС выше точки Ас3 (линия GS, см. рисунок 10.2). При этом сталь с исходной структурой феррита и перлита при нагреве переходит в аустенитное состояние. При последующем охлаждении со скоростью выше критической (см. рисунок 10.3) аустенит превращается в мартенсит. Такой нагрев является оптимальным, так как обеспечивает мелкое зерно аустенита при нагреве и мелкоигольчатый мартенсит с вязким изломом после охлаждения. Нагрев доэвтектоидной стали значительно выше точки Ас3 приводит к перегреву (укрупнению зерна аустенита), а последующее быстрое охлаждение со скоростью выше критической приводит к получению крупноигольчатого мартенсита, что ухудшает вязкость стали. Излом стали с такой структурой – хрупкий, кристаллический. Перегрев стали, кроме того, способствует обезуглероживанию поверхности и образованию трещин при закалке. Этого следует избегать.

Нагрев доэвтектоидной стали в область межкритических температур (выше Ас1, но ниже Ас3) не обеспечит растворения исходного феррита в аустените. Аустенит при закалке превратится в мартенсит, а оставшийся феррит снизит прочностные свойства стали. Поэтому такой нагрев для эвтектоидной стали является недостаточным, структурные изменения в доэвтектоидных сталях при закалке происходят по схеме:

П + Ф  А + Ф  А

                                 исх.струк.                   Vкр.охл.                            Vкр. охл.

                                              М + Ф                  М

Заэвтектоидные стали (>0,8 % С) подвергаются неполной закалке. Нагрев осуществляется до температуры на 30...50 оС выше точки Ас1 (727 оС). При таком нагреве образуется аустенит из исходной структуры перлита, а избыточный цементит  сохраняется.  После быстрого охлаждения со скоростью выше критической аустенит превращается в структуру закаленной стали – мартенсит. Частицы  оставшегося  цементита (карбида железа - Fe3C) будут присутствовать в мартенситной  основе,  что  обеспечит более высокую твердость и износостойкость сталей.

Нагрев выше точки Асm (линия SE) приводит к получению высокоуглеродистого аустенита, обеспечивающего после охлаждения крупноигольчатый мартенсит и большое количество остаточного  аустенита в связи с тем, что в таком аустените конец мартенситного превращения (точка Мк на рисунке 10.4) сдвинут в область отрицательных температур. Остаточный аустенит ухудшает свойства закаленной стали. Таким образом, для заэвтектоидных сталей оптимальной будет неполная  закалка. При этом в стали происходят структурные превращения по следующей схеме:

П + Ц  А + Ц А

                                  исх. струк.                Vкр.охл.                          Vкр.охл.

                                                 М + Ц + Аост       М + Аост

                                                                

Нагрев под закалку производится в печах периодического и непрерывного действия, чаще электрических или газообразном топливе. Широко применяются печи – ванны, в которых изделие нагревается в расплавленных сталях или металлах.

При достижении заданной температуры нагрева проводят выдержки для полного прогрева изделий по сечению, завершения всех фазовых превращений и выравнивания химического состава аустенита по всему объему вследствие протекания диффузии элементов. Чем выше температура нагрева, тем меньше может быть продолжительность выдержки. Общее время нагрева общ складывается из времени нагрева до заданной температуры н и времени выдержки при этой температуре В:

общ  = н  + В.

Время нагрева 1 мм сечения детали, выполненной из конструкционной стали (0,25...0,6 % С) в электрической печи до температур 770-850 оС, принимается равным   1 мин.

Таким образом, для закалки стали необходимо полученную при нагреве структуру аустенита охлаждением со скоростью больше критической переохладить до низких температур (точки Мн и Мк, см. рисунок 10.4), где будет иметь место мартенситное превращение.

Рисунок 10.4 – Изменение температурного интервала мартенситного превращения в зависимости от содержания углерода в стали

Критическая скорость закалки зависит от ряда факторов, включающего содержание углерода и легирующих элементов, размер зерна, вид охлаждающей среды. С увеличением содержания углерода и легирующих элементов значение критической скорости закалки доэвтектоидных сталей снижается.

Скорость охлаждения регулируется видом охлаждающей среды, в качестве которой наиболее часто применяются минеральное масло, вода, водные растворы солей, кислот, щелочей. В приведенном ряду скорость охлаждения от первой охлаждающей среды к последней увеличивается. Для углеродистых сталей скорость выше критической достигается при охлаждении в воде или в водных растворах.

Мартенситное превращение имеет ряд особенностей по механизму и кинетике. Оно носит бездиффузионный характер, т. е. не сопровождается диффузионным перераспределением углерода и железа в решетке. При мартенситном превращении происходит лишь коллективное смещение, сдвиг атомов на небольшое расстояние при наличии когерентной связи решеток аустенита (г. ц. к.) и мартенсита (тетрагональная).

Наличие этой связи (общей атомной плоскости) приводит практически к мгновенному во времени превращению. При мартенситном превращении происходит лишь переход кубической гранецентрированной решетки аустенита (-твердого раствора) в кубическую (тетрагональную) объемно-центрированную решетку -твердого раствора. Особенность мартенситного превращения в сталях состоит в том,  что весь  углерод, находящийся в аустените (-твердом растворе), переходит в   -твердый раствор.  Поэтому структура закаленной стали – мартенсит – представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в -железе.

Пересыщение углеродом -твердого раствора вызывает искажение решетки (о. ц. к.) -Fe, т. е. приводит к образованию тетрагональной (с/а>1) кристаллической решетки.

Особенностью мартенсита является его высокая твердость и прочность. В сталях с содержанием 0,6...0,7 %С твердость мартенсита достигает 60 HRC, это в 6 раз больше равновесного -твердого раствора – феррита. Одной из особенностей мартенситного превращения является то, что оно не идет до конца и в структуре закаленной стали остается какое-то количество аустенита, получившего название остаточного.

Высокая твердость мартенсита объясняется созданием микро- и субмакроскопической неоднородности строения с равномерным ее распределением по объему, т. е. большим числом нарушений кристаллического строения.

Микронеоднородность образуется в результате того, что в зерне возникает громадное количество мелких кристаллитов мартенсита, разделенных поверхностью раздела. В свою очередь каждый кристаллит мартенсита в результате фазовых напряжений (АМ) дробится на блоки (тонкие элементы субструктуры, имеющие наиболее совершенное строение). Поверхности раздела кристаллитов мартенсита и особенно границы блоков (стенки дислокаций) – линейные совершенства кристаллического строения – представляют собой труднопреодолимые препятствия для перемещения атомов при деформации кристалла. Внутри блоков перемещения атомов тормозят находящиеся в кристаллической решетке мартенсита атомы углерода, создающие статические искажения решетки (напряжения III рода). Все это определяет высокую твердость структуры закаленной стали – мартенсита. С увеличением содержания углерода в мартенсите наряду с повышением твердости возрастает и хрупкость, вероятно, связанная с образованием атмосфер из атомов углерода.

Мартенситное превращение, происходящее при закалке стали, изменяет ее удельный объем. Мартенсит по сравнению с другими структурами и особенно по сравнению с аустенитом имеет наибольший удельный объем. Увеличение его при образовании мартенсита является одной из основных причин возникновения при закалке больших внутренних закалочных напряжений (II рода), вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин. Перепад температур по сечению закаливаемого материала приводит к образованию термических внутренних напряжений (I рода). Эти напряжения, возникающие при закалке (структурные и термические), тем больше, чем выше температура закалки и скорость охлаждения в мартенситном интервале температур (Мнк).

При охлаждении в интервале температур 720–550о С со скоростями меньшими критической из аустенита образуются феррито-цементитные смеси, получившие название перлит, сорбит, тростит. По мере увеличения скорости охлаждения дисперсность смеси возрастает, что приводит к повышению твердости и прочности. Наиболее грубой смесью является перлит, максимальной дисперсностью обладает тростит.

Задание по работе

1 Начертить стальной участок диаграммы состояния «Fe-Fe3C» и нанести на него температурные интервалы нагрева стали под закалку.

2 Начертить диаграмму изотермического распада аустенита и нанести на нее критическую скорость охлаждения и скорости охлаждения, обеспечивающие получение структуры мартенсита и феррито-цементитных смесей.

3 Дать определение критической скорости закалки.

4 Описать фазовые превращения, имеющие место при полной и неполной закалках до- и заэвтектоидных сталей, обосновать выбор режима их термической обработки.

5 Определить исходную твердость закаливаемых образцов стали.

6 Нагреть эти образцы до температур, необходимых для полной и неполной закалки.

7 По экспериментальным данным замеренной твердости после закалки в воде и в масле выбрать оптимальные температуры и среду охлаждения и занести данные в таблицу 10.1.

8 Определить структуру закаленной стали.

Таблица 10.1 – Влияние условий термической обработки на твердость и микроструктуру стали

Условие закалки

Твердость стали

Микроструктура стали

Температура, оС

Охлаждающая среда

Масло

Вода

Масло

Вода

Без термической обработки


11
Лабораторная работа № 11. Отпуск закаленной стали

Цель работы: изучение теории и технологии отпуска закаленной стали; проведение заключительной термической обработки – отпуска закаленной стали.

Отпуском называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки А1               (727 оС), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью.

Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой в той или иной мере снимаются внутренние закалочные напряжения (термические и структурные), и формируется требуемый комплекс механических свойств.

После правильно выполненной закалки сталь имеет структуру мартенсита с небольшим количеством аустенита остаточного. Эти фазы при комнатной температуре являются метастабильными (неустойчивыми) и сохраняются только по той причине, что в этих условиях практически отсутствует диффузионная подвижность атомов железа и углерода. Повышение температуры, активизирующее диффузию, приводит к распаду этих фаз, конечным продуктом которого в равновесных условиях должна являться феррито-цементитная смесь. Степень распада мартенсита и аустенита остаточного при отпуске определяется температурой обработки. При этом в зависимости от температуры нагрева в процессе отпуска имеют место четыре превращения.

Первое превращение при отпуске – (распад мартенсита) при температурах от 80 до 300 оС происходит распад мартенсита (пересыщенного углеродом -твердого раствора), связанный с выделением -карбидов гексагональной решетки (FeхC). Пластинки -карбидов когерентно связаны с решеткой -твердого раствора (мартенсита). Образующаяся после первого превращения при отпуске структура, представляющая собой пересыщенный твердый раствор углерода в -железе (но степень пересыщения меньше, чем непосредственно после закалки) и когерентно связанные с ним дисперсные выделения -карбидов, называется отпущенным мартенситом.

Уменьшение количества растворенного углерода снижает тетрагональность решетки мартенсита. Некоторое снижение внутренних напряжений приводит к повышению вязкости материала. Твердость, прочность и износостойкость при этом практически не изменяются. Низкотемпературный отпуск предназначен для инструментальных сталей, а также для деталей машин, изготовляемых из низкоуглеродистых сталей и прошедших цементацию, нитроцементацию или цианирование.

Второе превращение при отпуске – превращение аустенита остаточного в мартенсит отпущенный. При температурах отпуска 250...300 оС остаточный аустенит обедняется углеродом и легирующими элементами. В результате этого температуры точек Мн и Мк повышаются, аустенит становится неустойчивым и превращается в отпущенный мартенсит. Продуктом распада остаточного аустенита является гетерогенная смесь, состоящая из пересыщенного -твердого раствора и карбидной фазы. Продуктом карбидообразования при втором превращении является не -карбид, а цементит. Образование цементита может протекать как путем перестройки решетки -карбида в решетку цементита, так и непосредственным выделением цементита и мартенсита. Цементит (Fe3С) имеет форму тонких пластин, закономерно ориентированных по отношению к мартенситу.

Третье превращение (снятие внутренних напряжений). К началу третьего превращения (t300 оС) сталь состоит из  малоуглеродистого мартенсита (С0,1 %) с кубической решеткой и когерентно связанных с ней выделений карбида. При температурах 350–400 оС завершается процесс выделения избыточного углерода из -твердого раствора (мартенсита). Содержание углерода в твердом растворе становится равным 0,01 %, что соответствует его равновесной концентрации в феррите. По мере снижения концентрации углерода в твердом растворе происходит увеличение количества цементита и рост его кристаллов. На определенном этапе этого процесса происходит срыв когерентности между решетками цементита и феррита. Это приводит к снижению внутренних напряжений и вызывает значительное уменьшение твердости и прочности.

После срыва когерентности начинают протекать процессы коагуляции (укрупнение) и сфероидизации (округление) цементитных кристаллов.

К концу третьего превращения образуется дисперсная (тонкая) ферритокарбидная смесь зернистого вида, называемая троститом отпуска.

Четвертое превращение (коагуляция и сфероидизация карбидов). Повышение температуры отпуска до 500...600 оС не вызывает фазовых превращений. При этих температурах отпуска основными процессами являются начавшиеся на стадии третьего превращения коагуляция и сфероидизация карбидов.

Образующаяся структура представляет собой более грубую, чем после третьего превращения ферритокарбидную смесь зернистого типа, называемую сорбитом отпуска.

Общая закономерность изменения механических свойств при повышении температур отпуска заключается в снижении прочностных характеристик (В, НВ) и возрастании характеристик пластичности (,  ) и особенно ударной вязкости (KCU) (рисунок 11.1).

Рисунок 11.1 – Зависимость механических свойств стали от температуры отпуска

В зависимости от температуры различают три практические разновидности отпуска: низкий, средний и высокий отпуск.

Низким отпуском называют нагрев закаленной стали до температур, не превышающих 200 оС. Такой отпуск практически не вызывает снижения твердости закаленной стали; образующаяся структура – отпущенный мартенсит. Такой отпуск рекомендуется при термической обработке инструментальных сталей и цементированных деталей.

Средним отпуском называют нагрев закаленной стали до температур 350-450 оС. Такой отпуск вызывает некоторое снижение твердости; образующаяся структура – тростит отпуска. Этот вид отпуска рекомендуется при термической обработке рессор и пружин.

Высоким отпуском называют нагрев закаленной стали до температур 500-600 оС. Такой отпуск вызывает значительное снижение твердости закаленной стали; образующаяся структура – сорбит отпуска.

Сорбит отпуска обеспечивает хорошее сочетание свойств – достаточной прочности, вязкости и пластичности. Закалка стали с последующим высоким отпуском носит название термического улучшения. Эта обработка рекомендуется для среднеуглеродистых конструкционных сталей.

Задание по работе

1 Изучить и описать основные положения теории отпуска.

2 Измерить исходную твердость образцов и произвести отпуск закаленных стальных образцов при различных температурах.

3 Определить твердость образцов после отпуска и объяснить влияние отпуска на этот параметр.

4 Результаты экспериментальной части работы свести в таблицу 11.1.

5 По результатам экспериментов построить графическую зависимость твердости стали от температуры отпуска и сделать соответствующие выводы.

Таблица 11.1 –  Влияние температуры отпуска на твердость и микроструктуру материала

Температура отпуска,  оС

Твердость, HRC

Микроструктура

Без отпуска

200

400

600


12 Лабораторная работа № 12. Изучение зависимости между структурой и свойствами стали после различных видов термической обработки

Цель работы: изучение методики назначения режимов термической обработки и основных фазовых превращений, протекающих в сталях при отжиге, нормализации, закалке и отпуске.

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. При термической обработке стали протекают фазовые превращения. Они вызваны тем, что вследствие изменившихся условий (температуры) новое состояние оказывается более устойчивым, чем старое, так как обладает меньшим запасом свободной энергии. Характер фазовых превращений зависит от скорости охлаждения. Превращения, протекающие при медленном охлаждении, близкие к равновесным; описываются диаграммой «железо-цементит». Диаграмма является также основой для изучения термической обработки. Она указывает каким видам термической обработки может быть подвергнут сплав и до каких температур требуется производить нагрев. Участок диаграммы «железо-цементит», необходимый для термической обработки стали, представлен на рисунке 12.1.

Рисунок 12.1 – «Стальной» участок диаграммы «железо-цементит» 

Приведем общепринятые обозначения критических точек, необходимых для термической обработки стали. Критические точки обозначаются буквой А. Точка А1 лежит на линии РSК и соответствует превращению аустенит – перлит. Точка А3 лежит на линии GSЕ и соответствует началу выпадения или окончанию растворения феррита в доэвтектоидных сталях или цементита вторичного в заэвтектоидных сталях. Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, после буквы А ставят буквы« с» и «r», соответственно (Аc1, Аr1, Аc3, Аr3). Точку Аc3 для заэвтектоидной стали часто обозначают как точку Асm.

Основными видами термической обработки стали являются отжиг первого рода, отжиг второго рода, закалка, отпуск.

Отжиг первого рода. Отличительная особенность отжига первого рода от отжига второго рода состоит в том, что его проведение не обусловлено фазовыми превращениями. Основными параметрами отжига первого рода являются температура нагрева и время выдержки при этой температуре. Скорости нагрева и охлаждения при этом имеют второстепенное значение. Отжиг первого рода частично или полностью устраняет  отклонения  от равновесного состояния,  имеющиеся в стали после литья, обработки давлением, сварки в других технологических операциях. В зависимости от того, какие отклонения от равновесного состояния устраняются, различают гомогенизационный, рекристаллизационный и уменьшающий напряжения.

Гомогенизационный отжиг предназначен для устранения дендридой ликвации в литой стали.  При этом сталь подвергается длительной выдержке при 1000...1100 оС.

Рекристаллизационный отжиг устраняет различные отклонения в структуре стали от равновесного состояния, возникающие в результате наклепа при пластической деформации. Температура отжига на 100–200 оС выше температуры рекристаллизации, определяемой из выражения

Трек = а Тпл,

где а –  коэффициент, равный 0,2...0,5; 

         Тпл – температура плавления стали.

Отжиг, уменьшающий напряжения, применяется для снятия внутренних напряжений в изделиях, возникающих при обработке давлением, литье, сварке и других технологических процессах. В стальных изделиях этот вид отжига проводится при температуре 450...600 оС. Продолжительность обработки зависит от массы изделия и достигает нескольких десятков часов.

Отжиг второго рода. При отжиге второго рода сталь нагревается на 30...50 оС выше критических точек Аc1 или Аc3 с последующим медленным охлаждением, как правило, вместе с печью. На диаграмме изотермического превращения аустенита (рисунок 12.2) скорость охлаждения при отжиге соответствует кривой V1.

Рисунок 12.2 – Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали

В зависимости от температуры нагрева стали различают полный и неполный отжиг. При полном  отжиге  нагрев  ведется на 30–50 о выше точки Ас3, при неполном – в область межкритических температур (Ас1 < tнагрева < Ас3). Основными целями отжига являются   перекристаллизация стали и устранение  внутренних напряжений. Полный отжиг приводит к полной перекристаллизации (все составляющие исходной структуры при температуре нагрева переходят в аустенит). При неполном отжиге перекристаллизацию испытывает только перлит; феррит в доэвтектоидной стали и цементит вторичный в заэвтектоидной стали перекристаллизовываются частично. Отжиг приводит к снижению твердости, повышению пластичности и получению  однородной мелкозернистой структуры. При медленном охлаждении стали, нагретой в аустенитную область, все фазовые превращения проходят в соответствии с диаграммой «железо-цементит». Доэвтектоидная сталь после отжига имеет структуру перлита  и феррита, заэвтектоидная – перлита и цементита вторичного. Для доэвтектоидных сталей, как правило, проводится полный отжиг, для заэвтектоидных – неполный.

На структуру стали оказывает влияние температура отжига. Отжиг при температурах, значительно превышающих Ас3, приводит к перегреву стали. У перегретой стали по сравнению со сталью, отожженной при нормальной температуре, величина, форма и расположение зерен будут иными. Так, при нагреве доэвтектоидной стали с 0,4 

% С до 1000 оС (нормальный отжиг проводится  при 860 оС)  зерна аустенита вырастают до значительных размеров. В результате этого при охлаждении образуются крупные зерна перлита, а феррит выделяется в виде крупных игл (пластин) внутри перлита по определенным кристаллографическим плоскостям (рисунок 12.3). Такая структура носит название видманштетовой. Сталь с видманштетовой структурой имеет низкую ударную вязкость. Перегретую крупнозернистую сталь можно исправить путем нормального отжига. Видманштетова структура характерна также для литой стали, для сварных швов, для кованой стали, если ковка закончилась при высокой температуре.

 а)                                                                     б)

а – при 860 оС (правильный режим), б – при 1000 оС (перегрев)

Рисунок 12. 3 – Микроструктура доэвтектоидной стали 45 после отжига 

При неполном отжиге заэвтектоидных сталей нагрев проводится на 30...50 оС выше Ас1. Так как в заэвтектоидных сталях количество цементита вторичного по сравнению с перлитом относительно невелико, при неполном отжиге они испытывают практически полную перекристаллизацию. Нерастворившиеся при нагреве частицы цементита вторичного (присутствующие в структуре в небольшом количестве) являются центрами кристаллизации для цементита, образующегося при последующем охлаждении ниже точки Ас1 в результате эвтектоидного распада аустенита. В этом случае цементит принимает зернистую форму. Такой отжиг часто называют сфероидизирующим. В результате сфероидизирующего отжига образуется зернистый перлит (рисунок 12.4). Если нагрев производить значительно выше Ас1, то образуется пластинчатый перлит.

В заводской практике с целью экономии времени и получения более стабильных результатов все большее распространение получает так называемый изотермический отжиг. В этом случае сталь, нагретая выше критических точек Ас1 или Ас3, охлаждается с любой скоростью до температуры, лежащей на 50...100 о C ниже равновесной точки А1, и  при этой температуре выдерживается в течение времени, необходимого для полного распада аустенита. В дальнейшем охлаждение до комнатной температуры ведется с любой скоростью.

Разновидностью отжига является нормализация. Отличие нормализации от отжига заключается в том, что охлаждение проводится на воздухе. После нормализации углеродистые стали имеют тот же фазовый состав, что и после отжига, однако дисперсность фаз в этом случае выше (рисунок 12.5). Это приводит к повышению твердости и прочности материала.

Рисунок 12.4 – Микроструктура зернистого перлита заэвтектоидной стали

Рисунок 12.5 – Микроструктура доэвтектоидной стали 45 после нормализации

Нормализация является более дешевой термической обработкой, чем отжиг. Для низкоуглеродистых сталей (С<0,3 %) разница в структуре и свойствах материалов, подвергнутых отжигу и нормализации, невелика. Эти стали рекомендуется подвергать не отжигу, а нормализации. Для среднеуглеродистых сталей, содержащих 0,3–0,5 % углерода, различие в свойствах нормализованной и отожженной сталей более значительно. В этом случае нормализация не может заменить отжиг. Для этих сталей нормализацией часто заменяют более дорогую операцию – улучшение, состоящую в двойной обработке, включающей закалку и высокий отпуск.

Закалка. Закалкой называется такой вид термической обработки, который заключается в нагреве на 30...50 оС выше точки Ас3 или Ас1, выдержке для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью, как правило, выше критической (Vк, см. рисунок 12.2).   При охлаждении со скоростью, выше критической, аустенит переохлаждается ниже температуры точки Мн, при которой  атомы железа  и  углерода практически теряют диффузионную подвижность, и происходит бездиффузионная перестройка гранецентрированной решетки аустенита в тетрагональную объёмно-центрированную решетку мартенсита. При этом весь углерод остается в твердом растворе

(С) (С).

Таким образом, мартенсит является пересыщенным твердым раствором углерода в  -железе.

В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку. Полной называют закалку с нагревом, выше точки Ас3, (в однофазную аустенитную область),  неполной  – с нагревом до межкритических  температур (выше Ас1,  но ниже Ас3),  при которых сохраняется избыточная фаза – феррит в доэвтектоидных сталях  или вторичный цементит в заэвтектоидных сталях.

Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке. Оптимальным является нагрев на 30...50оС выше точки Ас3. В качестве охлаждающей среды для углеродистых сталей применяют воду. В результате такой обработки получается структура мартенсита с небольшим количеством остаточного аустенита. Мартенсит имеет игольчатое строение. Размер игл мартенсита определяется величиной исходного зерна аустенита. Чем больше зерно аустенита, тем крупнее размер игл образовавшегося мартенсита. При нормальной закалке образуется мелкоигольчатый мартенсит (рисунок 12.6, а).

а)                                                                         б)

а – закалка с 860оС (правильный режим), б – закалка с 1000оС (перегрев)

Рисунок 12.6 – Микроструктура стали 45 после полной закалки 

Если сталь нагревать под закалку до температур, значительно превышающих точку Ас3, а затем охладить в воде, то получится структура крупнозернистого мартенсита (см. рисунок 12.6, б). В доэвтектоидной стали (0,4 % углерода) структура крупнозернистого мартенсита образуется при нагреве до 1000 о С. Нормальная температура закалки этой стали равна 860 oС. Сталь со структурой крупноигольчатого мартенсита обладает повышенной хрупкостью.

При скорости охлаждения стали, меньше критической, например, V2, V3 (см. рисунок 12.2), аустенит распадается с образованием смеси частиц феррита и цементита, называемой сорбитом или троститом. Эти  структуры  отличаются друг от друга величиной зерен (степенью дисперсности) цементита. Наиболее дисперсная структура у тростита.  Ферритоцементитные смеси, образующиеся при закалке, имеют пластинчатое строение.

При скорости охлаждения, равной V4 (см. рисунок 12.2), структура стали будет состоять из тростита и мартенсита. Как следует из диаграммы, в этом случае при охлаждении ниже точки а1 аустенит  частично превращается в тростит. Оставшийся аустенит ниже точки в1 превратится в мартенсит.  Сталь с

0,4 % углерода будет иметь структуру, состоящую из тростита и мартенсита, при закалке в масле. Металлографически тростит выявляется в виде темных участков по границам зерен, светлые участки представляют собой мартенсит.

В случае неполной закалки (нагрев выше Ас1, но ниже Ас3) доэвтектоидная сталь имеет структуру аустенита и феррита, а заэвтектоидная – аустенита и цементита вторичного. При охлаждении со скоростью больше критической аустенит превращается в мартенсит, а феррит в доэвтектоидной стали и цементит вторичный в заэвтектоидной не претерпевает фазовых превращений. Количество избыточных фаз (феррита и цементита) зависит от температуры закалки. Чем ближе температура нагрева к точке Ас3, тем меньше в структуре закаленной стали избыточных фаз. Металлографически феррит выявляется в виде отдельных светлых зерен, цементит – в виде отдельных светлых включений.

Заэвтектоидные стали подвергаются неполной закалке. Наличие в структуре закаленных заэвтектических сталей вторичного цементита повышает твердость и износостойкость инструмента, изготавливаемого из этих сталей. При полной закалке заэвтектоидных сталей в результате более высокого нагрева сталь получает структуру крупноигольчатого мартенсита, но с повышенным содержанием аустенита. Механические свойства при этом снижаются. Неполная закалка для доэвтектоидных сталей не рекомендуется, так имеющийся в этом случае наряду с мартенситом феррит приводит к снижению  твердости  и прочности материала.

Сталь, закаленная на мартенсит, имеет высокую твердость и прочность. Причем твердость и прочность мартенсита возрастает с увеличением содержания углерода. Максимальное значение этих характеристик достигается при содержании углерода в мартенсите около 0,7 %. В этом случае твердость равна НRC 64, предел прочности при растяжении достигает 2700 МПа. Высокая твердость и прочность мартенсита объясняется искажением решетки вследствие образования пересыщенного раствора углеродом. При этом возникают большие микронапряжения, вызывающие дробление блоков мозаики. Вследствие образования большого количества дефектов кристаллического строения пластическая  деформация  закаленной стали  затруднительна и  она склонна к хрупкому разрушению.

Отпуск. После закалки сталь подвергают отпуску. Под отпуском понимается совокупность операций, заключающихся в нагреве закаленной стали до температуры не выше критической точки Ас1, выдержке и охлаждении до комнатной температуры. Практическими целями отпуска являются уменьшение закалочных напряжений, получение нужного комплекса механических  свойств (прочности, пластичности  и вязкости).

Отпуск приводит к снижению твердости, прочности и повышению пластичности. Причем влияние на указанные свойства  тем  больше, чем выше температура отпуска.

В зависимости от температуры нагрева различают три разновидности отпуска:  низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск проводят путем нагрева закаленной стали до 200 оС. При этом образуется структура мартенсита отпущенного. Отпущенный мартенсит представляет собой пересыщенный раствор углерода в -железе и когерентно связанного с ним -карбида. Микроструктуры отпущенного мартенсита и мартенсита закалки примерно одинаковы (см. рисунок 12.6, а). Низкий отпуск частично снимает внутренние напряжения и несколько повышает вязкость. Твердость при низком отпуске практически не снижается. Такой отпуск наиболее часто применяется при термической обработке инструментальных сталей и изделий после цементации.

а)                                                                     б)

              

Рисунок 12.7 – Микроструктура тростита (а) и сорбита (б) отпуска

При среднем отпуске нагрев закаленной стали производится до температур 350...450 о С, при этом образуется структура тростита отпуска (рисунок 12.7). Тростит отпуска состоит из дисперсных частиц феррита и цементита. Сталь со структурой тростита отпуска имеет высокий предел упругости. Поэтому средний отпуск обычно применяют при термической обработке рессор и пружин. Средний отпуск приводит к заметному снижению твердости. Обычно отпуска в интервале температур 300...400 оС избегают, что связано с появлением отпускной хрупкости I рода.

При высоком отпуске нагрев закаленной стали производится до температур 500...650 оС;  образуется  структура –  сорбит  отпуска, представляющий собой, как и тростит отпуска, смесь частиц феррита и цементита. Сорбит отпуска имеет хорошее сочетание свойств: прочность,  пластичность и вязкость. Твердость сорбита составляет 300-350 НВ.  Закалка стали с последующим высоким отпуском на сорбит носит название термического улучшения. Эта обработка рекомендуется для среднеуглеродистых конструкционных сталей.

Задание по работе

1 Дать определение основным видам термической обработки, указать их цель.

2 Зарисовать часть диаграммы «железо-цементит», относящуюся к области стали, и диаграмму изотермического превращения аустенита.

3 Используя диаграмму «железо-цементит» и диаграмму изотермического превращения аустенита, изучить влияние температуры нагрева и скорости охлаждения на фазовые превращения и структуру стали с различным содержанием углерода.

4 Изучить влияние отпуска на фазовые превращения и характер образующихся микроструктур.

5 Изучить структуру предложенных шлифов, зарисовать ее и указать структурные составляющие и фазы.

6 Дать определение фазам и структурным составляющим.


13.
Лабораторная работа № 13. Пластические массы

Цель работы: изучение влияния основных компонентов пластических масс на их структуру и свойства; ознакомление с принципами классификации пластических масс по характеру связующего вещества и по назначению; определение отличительных признаков различных видов пластмасс: по внешнему виду; характерным механическим свойствам; реакции на открытое пламя; по органолептическим показателям.

Полимерные органические соединения являются основой пластических масс. Полимерами называют вещества, микромолекулы которых  состоят из многочисленных элементарных звеньев - мономеров одинаковой структуры. Молекулярная масса их составляет от 5 000 до 1 000 000 а.е.м. и более. При таких больших размерах молекул свойства вещества определяются не только химическим составом этих молекул, но и их взаимным расположением и строением. Макромолекулы полимера состоят из цепочек отдельных звеньев. Поперечное сечение цепочки несколько ангстрем, а длина несколько тысяч ангстрем, поэтому микромолекулам полимера свойственна гибкость, которая является одной из отличительных особенностей полимеров.

Атомы, входящие в основную цепь, связаны прочной ковалентной связью. Макромолекулы полимеров, имея одинаковый химический состав, обычно отличаются  по размерам. Микромолекулы могут быть построены из одинаковых по химическому строению мономеров или разнородных звеньев, в первом случае соединения называются гомополимерами, во втором – сополимерами.

1 Термопластичные полимеры

По отношению к нагреву полимеры подразделяются на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры при нагревании переходят из твердого агрегатного состояния в вязкотекучее, а при охлаждении вновь затвердевают. Это свойство термопластичные полимеры сохраняют при многократных нагревах. К термопластичным полимерам относятся полиолефины, полиамиды, поливинилхлорид, фторопласты, полиуретаны.

Термопласты имеют невысокую температуру перехода в вязкотекучее состояние, хорошо перерабатываются литьем под давлением, экструзией и прессованием. Применяются термопласты в качестве изоляторов, химически стойких конструкционных материалов, прозрачных оптических стекол, пленок, волокон, а также в качестве связующих для получения композиционных материалов, лаков, клеев и др.

Полиэтилен, молекула которого состоит из многократно повторяющегося звена [-CH2 -CH2 -]n, представляет собой продукт полимеризации этилена. Это относительно твердый и упругий материал, без запаха, белый в толстом слое и прозрачный в тонком (см. образец 1.1). Для получения окрашенных полимеров применяют органические красители. Различают полиэтилен низкого (ПЭНД), высокого (ПЭВД) и среднего (ПЭСД) давления. Чем выше давление, при котором получают полиэтилен, тем выше его плотность, степень кристалличности, прочность, твердость и теплостойкость материала. Полиэтилен легко перерабатывается различными методами, устойчив к ударным и вибрационным нагрузкам, агрессивным средам и воздействию радиации, обладает высокой морозостойкостью (до -70°С). Однако в присутствии сильных окислителей  материалы на основе полиэтилена разрушаются. Полиэтилен также склонен к старению при воздействии на него света. Для подавления необратимых процессов старения полиэтилена в него (как и в другие термопласты) вводят специальные добавки - стабилизаторы: антиоксиданты, антиозонаты, светостабилизаторы, антипирены (для снижения горючести), антистатики и пластификаторы. Полиэтилен применяют для изготовления труб, литых и прессованных несиловых деталей, пленок, изоляции  проводов и кабелей, а также в качестве защитных покрытий металлов от коррозии.

Полипропилен – производная этилена, жесткий нетоксичный материал с более высокими физико-механическими свойствами. По сравнению с полиэтиленом более теплостоек, сохраняет форму до 150 оС, однако морозостойкость ниже, до 15оС.

Применяется для изготовления труб,  деталей автомобилей, мотоциклов, холодильников, корпусов насосов, емкостей, пленок (см. образец 1.2).

Поливинилхлорид – аморфный полимер белого или светло-желтого цвета, обладает высокими диэлектрическими свойствами, атмосферной и химической стойкостью, стоек к маслам и бензину, негорюч. Непластифицированный поливинилхлорид называется винипластом (см. образец 1.3). Винипласт имеет высокую механическую прочность и обладает хорошими электроизоляционными свойствами, легко формуется, хорошо поддается механической обработке, склеивается и сваривается, хрупок при отрицательных температурах (рабочий диапазон температур от 10 до + 70 °С). При нагревании разлагается с образованием особо ядовитых веществ и при пожаре представляет значительную опасность. Винипласт хорошо приклеивается к металлу, древесине, бетону. Из винипласта изготавливают различные изделия краны, клапаны, задвижки, детали насосов, вентиляторов, облицовочную плитку, трубы и др. При введении в поливинилхлорид пластификаторов получается пластикат, который обладает высокой морозостойкостью. Пластикат применяется для изготовления изоляции проводов, изоленты, а также для изготовления труб и различных покрытий.

Политетрафторэтилен –  (фторопласт-4)  является фторопроизводным продуктом этилена. В вязкотекучее состояние переходит при температуре 423 °С, а при 420 °С сильно окисляется, поэтому литьем под давлением и экструзией его не перерабатывают. Кроме того, при этих температурах выделяется токсичный фтор. Фторопласт-4 прессуют при температуре 380 °С. Материал обладает высокой термостойкостью, стоек к действию кислот, щелочей, окислителей, растворителей, негигроскопичен. Фторопласт-4 имеет очень низкий коэффициент трения, сохраняет упругие свойства до 269 °С.

Фторопласт-4 применяется для изготовления уплотнительных элементов, мембран, фурнитуры, деталей антифрикционного назначения, а также, благодаря высоким диэлектрическим свойствам, для изготовления высокочастотной аппаратуры,  кабелей, конденсаторов и др. Из фторопласта-4 изготавливают очень тонкие изоляционные пленки толщиной до 0,005 мм (см. образец 1.4).

Политрифторхлорэтилен – (фторопласт-3) полимер стойкий к действию кислот, щелочей, окислителей, растворителей, диапазон рабочих температур от -195 до +125 °С. Перерабатывается литьем под давлением, экструзией и прессованием. Применяют для изготовления труб, шлангов, фурнитуры, защитных покрытий, низкочастотных диэлектриков, пленок, а также для термо- и влагостойких покрытий (см. образец 1.5).

Полистирол – твердый, жесткий, прозрачный полимер, обладает хорошими диэлектрическими свойствами, химически стоек к кислотам и щелочам, масло- и бензостоек, хорошо склеивается и окрашивается. Имеет низкую теплостойкость и ударную вязкость. Для повышения теплостойкости и механических свойств производят сополимеризацию стирола с другими мономерами или каучуками. Применяется для изготовления химически стойких сосудов, деталей электротехнического назначения (корпуса телевизоров, радиоприемников, телефонных аппаратов, магнитофонов), для получения электроизоляционных пленок для радиодеталей, нитей, а также упаковочной пленки.

  Из него изготовляют (см. образцы 1.6) предметы домашнего обихода, детские игрушки, школьно-канцелярские принадлежности (авторучки и пр.), тару для упаковки, трубы, внутреннюю отделку холодильников (морозоустойчивость до -70 °С), катушки для фото-, кино- и магнитофонной пленки,  облицовочные материалы для внутренней отделки помещений, салонов автомобилей и т. д. Образцы изделий  из  полистирола   приведены  на  рисунках 18.118.2.

             

Рисунок 18.1 – Посуда из полистирола, имитирующая хрусталь (блюда, вазочки)

                                 

Рисунок 18.2 – Технические изделия из полистирола

Полистирол, полученный эмульсионным методом, используется для производства пенопластов, применяемых в качестве термоизоляционного материала в строительстве, при изготовлении холодильников, а также для упаковки.

Полиметилметакрилат – (органическое стекло) - прозрачный полимер, стойкий к действию разбавленных кислот и щелочей, бензо- и маслостоек, обладает оптической прозрачностью, морозостоек (до -60 °С), растворяется в эфирах и кетонах, в органических растворителях, ароматических и хлорированных углеводородах. При температуре +105...+150 °С пластичен. Перерабатывается литьем под давлением, экструзией, прессованием. Имеет невысокую твердость. Применяется для изготовления светотехнических изделий, оптических линз, радиодеталей (см. образец 1.8).

Полиамиды – (капрон, нейлон  и др.) – полимер, обладающий хорошими механическими свойствами, высокой износостойкостью. Полиамиды не набухают в масле и  бензине, не растворяются во многих растворителях, стойки к ударным нагрузкам и вибрациям. Используются с наполнителями, в качестве которых применяется стекловолокно до 30 % или графит до 10 %. Применяются для изготовления зубчатых колес (рисунок 18.3), звездочек цепных передач, колес центробежных насосов, подшипников скольжения, а также нанесения защитных покрытий (см. образец 1.9).

Полиуретаны – полимеры, обладающие высокой эластичностью, морозостойкостью (до -70 °С), износостойкостью, устойчивы к действию разбавленных органических и минеральных кислот и масел. Применяются для изготовления труб, шлангов, уплотнителей, приготовления клеев для склеивания металлов, стекла, керамики (см. образец 1.10).

Полиэтилентерефталат (лавсан) – полимер, обладающий высокими прочностными свойствами, устойчивый к действию ультрафиолетовых и рентгеновских излучений, негорюч, диапазон рабочих температур от – 70 °С до +255 °С, легко металлизируется алюминием, цинком, оловом и другими металлами, в 10 раз прочнее полиэтилена, гигроскопичен, хорошо сваривается ультразвуком и склеивается полиэфирным лаком. Лавсан  применяется для тепло-

Рисунок 18.3 – Детали антифрикционного назначения из полиамидов

стойкой изоляции обмоток трансформаторов, электродвигателей, кабелей, деталей радиоаппаратуры, а также в качестве корда в ременных передачах, различных транспортерных лентах, основы магнитофонных лент, в качестве материала (ПЭТФ) бутылок для напитков (см. образцы  1.12).

2 Термореактивные полимеры

Фенолоформальдегидные смолы – представляют собой продукты поликонденсации фенолов с формальдегидом.  Фенолоформальдегидные смолы обладают высокими атмосферо - и термостойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, стойки к действию большинства кислот, за исключением концентрированной серной кислоты и кислот-окислителей (азотной, хромовой) (см. образец 2.1).

Эпоксидные смолы – олигомеры или мономеры, содержащие в молекуле не менее двух эпоксидных групп, способные превращаться в полимеры пространственного строения. Для холодного отверждения эпоксидных смол применяют в качестве отвердителей алифатические полиамины (полиэтиленполиамин, 5...15 % массы смолы). Длительность отверждения 24 ч . Для повышения степени отверждения желательна термообработка при температуре 60...120 °С в течение 12...2 ч. Для горячего отверждения применяют ароматические ди- и полиамины. Отверждение проводят при температуре 100...180 °С в течение 16...4 ч. Прочность, химическая стойкость и теплостойкость эпоксидных компаундов при горячем отверждении выше, чем при холодном. Эпоксидные смолы обладают высокой адгезией к металлам, стеклу, керамике и другим материалам (см. образец 2.2).

3 Композиционные материалы

Композиционные материалы (композиты) представляют собой гетерофазные системы, состоящие из двух и более разнородных компонентов. Компонент, непрерывный по всему объему материала, обеспечивающий его монолитность, называется матрицей, или связующим. Компоненты, распределенные в матрице, называются наполнителями. В качестве матрицы могут применяться материалы на полимерной, металлической и керамической основе. Характер взаимодействия между материалами матрицы и наполнителя может быть инертным и активным (между материалами возникает химическая связь и эффективное адгезионное взаимодействие). В зависимости от вида и структуры наполнителя композиты делятся на дисперсно-упрочненные, упрочненные волокнами, слоистые и газонаполненные. 

3.1 Пластмассы с порошковыми наполнителями

В качестве дисперсных наполнителей применяются органические порошки – древесная мука, порошкообразная целлюлоза, а также минеральные – молотый кварц, тальк, графит. Свойства порошковых пластмасс характеризуются изотропностью, невысокой механической прочностью и низкой ударной вязкостью, удовлетворительными электроизоляционными свойствами. На основе формальдегидных  смол с органическими наполнителями изготовляют несиловые конструкционные  и электроизоляционные детали: рукоятки, детали приборов. Минеральные наполнители придают пластмассе водостойкость, химическую стойкость, повышают электроизоляционные свойства и устойчивость к тропическому климату. В случае применения в качестве связующего - кремнийорганических полимеров  и наполнителей - кварцевого порошка или асбеста теплостойкость пластмасс достигает 300 оС.

Композиции на основе эпоксидных смол широко применяют в машиностроении для изготовления инструментальной оснастки, вытяжных и формовочных штампов, станочных  приспособлений, литейных моделей и пр. (см. образец 3.1). Используются для восстановления изношенных деталей, устранения дефектов отливок из металлов.

3.2 Пластмассы с волокнистыми наполнителями

Волокниты – пластмассы на основе волокон, пропитанных фенолоформальдегидной смолой. В качестве волокнистых наполнителей используются хлопковые очесы (волокниты), кордовые нити (кордоволокниты), асбестовое волокно (асбоволокниты), стекловолокно (стекловолокниты).

Применяются они для изготовления изделий общетехнического назначения с повышенной стойкостью к вибрациям и ударным нагрузкам, работающих на изгиб и кручение, например, шкивов ременных передач, фланцев, рукояток, крышек и др. (см. образец 3.1).

Асбоволокниты – композиты, содержащие волокнистый минерал асбест, расщепляющийся на тонкие волокна диаметром до 0,5 мкм. В качестве связующего используются фенолоформальдегидные и кремнийорганические смолы. Они обладают высокой ударной вязкостью и теплостойкостью до

200 °С, имеют хорошие фрикционные свойства. Применяются в основном в качестве материалов для тормозных устройств (тормозные колодки, накладки, диски сцепления). Асбоволокниты на фенолоформальдегидной основе используются для производства высокопрочных теплостойких электротехнических деталей (электрические панели,  коллекторы) (см. образец 3.2).

Стекловолокниты – представляют собой пластмассы, содержащие в качестве наполнителя стекловолокна. Применяются стекловолокна диаметром 5...20 мкм высокопрочные с временным сопротивлением до 3800 МПа и высокомодульные, имеющие предел прочности  до 4700 МПа и модуль упругости при растяжении до 110 ГПа. Используют волокна, нити, жгуты разной длины, что во многом определяет ударную вязкость стекловолокнита. Чем тоньше волокно, тем меньше его дефектность и выше прочность. Механические свойства стекловолокнитов зависят от состава, количества и длины стекловолокна, типа связующего, метода переработки.  Из стеклопластиков изготавливают крупногабаритные корпусные детали (кузова автомобилей, лодки, корпусные детали приборов и т. п.), элементы щитков, изоляторов, штепсельных разъемов,  и т. д. Изделия, эксплуатируемые при температурах от -60 до +200 °С, изготавливают на основе фенолоформальдегидных смол (см. образец 3.3), а для температурного диапазона –60…+100 °С на основе эпоксидных смол (см. образец 3.4). Стекловолокниты на основе кремнийорганических смол эксплуатируются до температуры 400 °С.

Применение ориентированных волокон позволяет получать стекловолокниты с повышенными (до пяти раз) механическими свойствами.

Карбоволокниты (углепластики) – композиционные материалы на основе полимерного связующего и углеродных волокон. Углеродные волокна отличаются высокой теплостойкостью, удельной прочностью, химической стойкостью, низким коэффициентом термического линейного расширения. В качестве связующих используют термореактивные полимеры: эпоксидные, фенолоформальдегидные смолы, полиамиды и др., а также углеродные матрицы.

Углепластики обладают хорошими механическими свойствами, химической стойкостью, более высокой, чем у стеклопластиков, теплопроводностью. Применяются углепластики для изготовления конструкционных деталей авиационной и космической техники, антенн, автомобилей, судов, спортивного инвентаря (см. образец 3.5).

3.3 Слоистые пластмассы

Слоистые композиционные материалы имеют листовые наполнители (ткани, бумагу и т. д.), пропитанные и скрепленные между собой полимерным связующим. Эти материалы обладают анизотропией свойств. В  качестве волокнистых армирующих элементов используют ткани на основе высокопрочных волокон различной природы: хлопчатобумажные, стеклоткани и пр.

Гетинакс – пластик на основе модифицированных фенольных, аминоформальдегидных  смол и различных сортов бумаги. По назначению гетинакс подразделяется на декоративный (см. образец 3.6) и электротехнический (см. образец 3.7). Декоративный гетинакс стоек к воздействию химикатов, пищевых продуктов, может иметь любой цвет и рисунок. Применяется он для внутренней облицовки салонов самолетов, кают судов, железнодорожных вагонов и т. д. Электротехнический гетинакс используется для изготовления панелей, приборных щитков и других целей. Для печатных радиотехнических изделий применяют гетинакс фольгированный  (см. образец 3.8).

Текстолит – слоистый пластик на основе термореактивных смол и хлопчатобумажных тканей. Материал обладает высокими механическими свойствами, стойкостью к вибрациям. В зависимости от основного назначения текстолиты подразделяются на конструкционные, электротехнические, графитированные, гибкие прокладочные.

Конструкционный текстолит (см. образец 3.9) используется для изготовления зубчатых колес, подшипников скольжения, работающих при температурах не выше 90 °С в прокатных станах, турбинах, насосах и др. Электротехнический текстолит (см. образец 3.10) используется в качестве электроизоляционного материала в средах с рабочей температурой от -65 до +165 °С.

В асботекстолитах  и асбогетинаксах в качестве наполнителей содержится соответственно асботкань или асбобумага. Применяют асботекстолиты для изготовления тормозных колодок, тормозных накладок, в качестве теплоизоляционного материала.

Стеклотекстолиты  (см. образец 3.11) изготавливают на основе стеклотканей и различных полимерных связующих. На фенолоформальдегидных смолах они более теплостойки, чем текстолиты, но хуже по вибростойкости. На кремнийорганических смолах имеют более высокую тепло- и морозостойкость, обладают высокой химической стойкостью, не вызывают коррозии контактирующего с ним металла. Эпоксидные связующие обеспечивают стеклотекстолитам наиболее высокие механические свойства и позволяют изготовлять из них крупногабаритные детали. Стеклопластики являются конструкционными материалами для силовых изделий деталей летательных аппаратов, кузовов и кабин автомобилей, автоцистерн, корпусов лодок, вагонов, судов, контейнеров, корпусов машин, кожухов, защитных ограждений. По удельной жесткости эти материалы не уступают металлам, а по удельной прочности в 2–3 раза превосходят их.

4 Композиционные материалы с газообразными наполнителями

Газонаполненные материалы представляют собой структуру, состоящую из твердой и газообразной фаз. Их подразделяют на две группы: пенопласты и поропласты. Пенопласты имеют ячеистую структуру, поры которой изолированы друг от друга полимерной прослойкой. Поропласты имеют открытопористую систему и  сообщаются с окружающей средой.

Пенопласты получают на основе термопластичных и термореактивных смол. Для получения пористой структуры, в большинстве случаев, в полимерное связующее вводят газообразующие компоненты. Пенопласты на основе термопластичных смол более технологичны и эластичны, однако температурный диапазон их эксплуатации от -60 до +60 °С.

Пенополистирол (см. образец 3.16) изготавливается в виде  пластин или профильных изделий. Применяется в качестве диэлектрика и упаковочного материала. Его получают путем введения в полистирол порообразователя и нагревом массы до температуры 100 °С. По такой технологии могут заполняться различные полости между металлическими, угле- или стеклопластиковыми оболочками с целью звуко- и теплоизоляции, увеличения плавучести и т. д. Недостатками материала являются растворимость в бензине, бензоле и горючесть.

Пенополивинилхлорид (см. образец 3.17) не поддерживает горения, но обладает более низкими диэлектрическими свойствами по сравнению с пенополистиролом. Применяется он в основном в качестве легкого заполнителя для тепло- и звукоизоляции.

Пенополиуретан (см. образец 3.18).В зависимости от технологии можно получить мягкие, полужесткие и жесткие материалы с более высокой, чем у полистирольных пенопластов, термостойкостью.

Пенопласты используют для тепло- и звукоизоляции кабин, теплоизоляции рефрижераторов, труб, приборов, для повышения плавучести, удельной прочности, жесткости и вибростойкости  элементов конструкций.

Поропласты (см. образец 3.19) получают в основном путем механического вспенивания композиций, например сжатым воздухом или с использованием специальных пенообразователей. При затвердевании вспененной массы растворитель, удаляясь в процессе сушки и отверждения из стенок ячеек, разрушает их. Поропласты применяют для изготовления амортизаторов, мягких сидений, губок, фильтров, в качестве вибродемпфирующих и звукоизоляционных прокладок в вентиляционных установках, глушителях, прокладок в касках и шлемах и т. д.

Задание по работе

1 Изучить влияние основных компонентов пластических масс на их структуру и свойства.

2 Привести классификацию пластических масс: по характеру связующего вещества; по назначению.

           3 Найти отличительные признаки различных видов пластмасс: по внешнему виду; характерным механическим свойствам; реакции на открытое пламя; по органолептическим показателям.


14
Лабораторная работа № 14. Изучение зависимости между структурой и свойствами легированных сталей

Цель работы: изучение влияния легирующих элементов на фазовый состав, структуру и свойства сталей; классификация и маркировка легированных сталей.

Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими. Стали, в которые для получения требуемых свойств вводят легирующие элементы, называют легированными сталями. Для легирования стали наиболее часто применяют марганец, хром, никель, кремний, вольфрам, ванадий, молибден, титан, алюминий и др.

Большинство легирующих элементов растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов – феррите, аустените, цементите или образуют специальные карбиды.

Элементы, растворимые в железе, изменяют температурный интервал существования его аллотропических модификаций, т. е. сдвигают критические точки А3 и А4 по температурной шкале.

Марганец и никель повышают точку А4 и снижают А3, расширяя аустенитную область. Хром, молибден, вольфрам, ванадий, кремний, алюминий и др. повышают точку А3 и снижают А4, сужая аустенитную область и расширяя ферритную область. При определенной концентрации элементов первой группы превращение аустенит-феррит отсутствует, и аустенитное состояние существует устойчиво при комнатной температуре. Такие сплавы называются аустенитными. При высоком содержании элементов второй группы образуются ферритные сплавы.

По  отношению  к углероду легирующие элементы делятся на две группы – карбидообразующие и некарбидообразующие. Никель, кобальт, медь, кремний относятся к некарбидообразующим элементам. Марганец, хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан, цирконийкарбидообразующие элементы. Карбиды в сталях делятся на две группы. К первой группе относятся карбиды со сложной кристаллической решеткой – Ме3С, Ме26С6, Ме6С (например, цементит). Ко второй группе относятся карбиды типа МеС и Ме2С, являющиеся фазами внедрения с простой кристаллической решеткой. Карбиды первой группы при нагреве легко растворяются в аустените, а второй – трудно. Вследствие этого при нагреве под закалку они могут не перейти в твердый раствор и тормозят рост зерна аустенита.

Легирующие элементы замедляют диффузионные процессы и снижают скорость распада аустенита, что способствует переохлаждению его до интервала мартенситного превращения при более медленном охлаждении. При этом снижается критическая скорость закалки и увеличивается прокаливаемость легированных сталей. Наиболее сильно увеличивают прокаливаемость стали марганец, хром, никель, молибден.

Легирующие элементы не влияют на кинетику мартенситного превращения, но изменяют его температурный интервал. Все легирующие элементы, исключая алюминий и кобальт, понижают температуру мартенситного превращения и увеличивают количество аустенита остаточного.

Большинство легирующих элементов замедляют процесс распада мартенсита при отпуске. Поэтому для получения одинаковых результатов легированную сталь нужно нагревать при отпуске до более высокой температуры или увеличивать продолжительность отпуска по сравнению с углеродистой.

Легированные стали классифицируют по  четырем  признакам:  по равновесной структуре, получаемой после отжига; по структуре после охлаждения на воздухе; по составу; по назначению.

По равновесной структуре стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные, ледебуритные, ферритные и аустенитные. Большинство легирующих элементов сдвигают точки S и E на диаграмме состояния «железо-цементит» влево (в сторону меньшего содержания углерода), поэтому границы между вышеуказанными сталями находятся при меньшем содержании углерода по сравнению с углеродистыми сталями.

По структуре после охлаждения на воздухе различают три основных класса сталей: перлитный, мартенситный, аустенитный. Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов, мартенситного – более значительным, аустенитного – высоким содержанием легирующих элементов. Получение указанных классов стали обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в перлитной области возрастает, а температурная область мартенситного превращения снижается.

По составу стали могут быть хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др.

По назначению  легированные стали делятся на конструкционные, инструментальные, стали с особыми свойствами. Конструкционные стали применяются для изготовления деталей машин и механизмов, инструментальные –  для различного инструмента (режущего, штампового, измерительного). К сталям с особыми свойствами относятся стали, обладающие каким-либо резко выраженным свойством: нержавеющие, жаропрочные, износоустойчивые, с особенностями теплового расширения, с особыми магнитными и электрическими свойствами.

Маркировка сталей буквенно-цифровая. Все легирующие элементы имеют буквенное обозначение: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт,  М – молибден,  Н – никель,  П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – РЗМ. Цифры в начале марки – среднее содержание углерода (для конструкционных сталей – в сотых долях процента, а для инструментальных – в десятых долях процента). Цифры после букв показывают примерное содержание легирующих элементов в целых процентах, отсутствие цифр указывают, что содержание 1,0... 1,5 %. Буква «А» в конце марки показывает, что стали высококачественные ( <0,025 % фосфора и <0,025 % серы). Например, сталь 12Х2Н4А - конструкционная высококачественная сталь, содержащая: С – 0,12 %, Cr – 2 %, Ni – 4 %. Сталь 3Х2В8 – инструментальная сталь, содержащая: С – 0,3 %, Cr – 2 %, W – 8 %.

Конструкционные стали. Конструкционные стали делятся на цементируемые и улучшаемые, которые отличаются друг от друга разным содержанием углерода и режимами термической обработки. 

Цементируемые стали имеют низкое содержание углерода (0,10...     0,25 %) и подвергаются цементации – поверхностному насыщению углеродом с последующей закалкой и низким отпуском. Твердость поверхностного слоя после этого достигает HRC60, а сердцевины – HRC15...30. К цементируемым сталям относятся 15Х, 20Х, 15ХР, 20ХГР, 18ХГТ,  12ХГТ, 12ХНЗА, 10Х2Н4ВА.

Рассмотрим термическую обработку низколегированной цементируемой стали 20Х. Сталь применяется для изготовления конструкционных деталей повышенной прочности – шестерней,  втулок,  осей,  поршневых колец.  Содержит 0,17...0,23 %  углерода,  0,7...1,0 %  хрома, 0,8 % марганца  и  относится  к  перлитному классу. Термическая обработка ответственных деталей из этой стали заключается в цементации, двойной закалке и низком отпуске. После цементации изделия имеют высокоуглеродистую поверхностную зону, содержание углерода в которой достигает 1,1 %, и низкоуглеродистую сердцевину с содержанием углерода 0,17...0,25 %.  Первая закалка проводится с температуры     880 оС, вторая – 770...820 оС. Охлаждающей средой является вода или масло. Отпуск осуществляется при 180оС. Микроструктуры этой стали представлены на рисунке 14.1.

После термической обработки поверхностный слой имеет структуру мартенсита отпуска с включениями цементита, а сердцевина – структуру бейнита с включениями феррита.

Улучшаемые стали содержат 0,3...0,5 % углерода и легирующие элементы: хром, никель, молибден, марганец, вольфрам, кремний и др. Суммарное ко- личество легирующих элементов составляет 3...5 %. Наиболее распространенными являются стали 40Х, 40ХР, 30ХМ, 40ХГ, 40ХНМ, 40ХН. Термическая обработка этих сталей заключается в закалке и высоком отпуске.

 а)                                            б)                                            в)

а –  после цементации (поверхностный слой); б, в – после закалки и низкого отпуска (б – поверхностный слой, в – сердцевина)

Рисунок 14.1 – Микроструктура стали 20Х 

Сочетание закалки и высокого отпуска называется улучшением. Механические свойства всех улучшаемых сталей после термообработки в случае сквозной прокаливаемости близки. Поэтому выбор стали для различных  деталей определяется прокаливаемостью, которая определяется в основном содержанием легирующих элементов.

Рассмотрим термическую обработку улучшаемых сталей на примере стали 40ХНМ. Сталь 40ХНМ содержит 0,37...0,44 % углерода, 0,17...0,37 % кремния, 0,6...0,9 % хрома, 1,2...1,6 % никеля, 0,15...0,25 % молибдена. Комплексное легирование хромом, никелем, молибденом приводит к увеличению  прокаливаемости;  критический  диаметр  равен 40мм. Сталь  40ХНМ  по  сравнению с другими сталями этой группы – 40ХНР, 40ХГНР – имеет более высокое содержание никеля, что вызывает снижение порога хладноломкости до 80о С. После  отжига  сталь 40ХНМ имеет структуру перлита  и феррита. Наличие  легирующих  элементов сдвигает точку S диаграммы «железо-цементит» в  сторону меньшего содержания углерода. Это объясняет малое количество феррита  в структуре после отжига. После полной закалки сталь имеет структуру мартенсита и небольшого количества аустенита остаточного. Последующий высокий отпуск обеспечивает получение структуры сорбита. Приведенное влияние легирующих элементов и термической обработки на структуру является характерным для всех легированных улучшаемых сталей. Типичная структура одной из них – стали 30ХГСА в отожженном и улучшенном состоянии приведена на рисунке 14.2.

   а)                                                         б)

            

а – отожженное состояние; б – улучшенное

Рисунок 14.2 – Микроструктура стали 30ХГСА 

Инструментальные стали. По сравнению с конструкционными инструментальные стали имеют более высокое содержание углерода и легирующих элементов. По структуре после отжига они, как правило, относятся к эвтектоидному или ледебуритному классу. Применяются для изготовления режущего, штампованного измерительного инструмента.

Типичной инструментальной сталью перлитного класса является сталь Х, содержащая 1,1 % углерода, 1,3...1,6 % хрома. Применяется для изготовления режущего инструмента в легких условиях резания, штампов холодной штамповки и др.

С целью улучшения обработки резанием заготовки из стали Х подвергаются отжигу на зернистый перлит (рисунок 14.3, а). Отжиг проводится при 770...800 оС. Термическая обработка инструмента заключается в закалке в масле от температуры 830...860 оС с последующим отпуском при 160...200 оС. После термической обработки изделия имеют структуру отпущенного мартенсита с включениями цементита (рисунок 14.3, б). Твердость составляет HRC 61...63.

а)                                                             б)

               

а – отжиг на зернистый перлит; б – неполная закалка и низкий отпуск

Рисунок 14.3 – Микроструктура стали Х

Для изготовления режущего инструмента широко применяются быстрорежущие стали. Наиболее распространенными марками быстрорежущих сталей являются Р18, Р9, Р6М5, Р6М3. Быстрорежущие стали имеют высокую теплостойкость (красностойкость) и сохраняют высокую твердость при нагреве до 620 о С. Теплостойкость достигается легированием стали карбидообразующими элементами – вольфрамом, молибденом, хромом – в таком количестве, при котором они связывают весь углерод в специальные карбиды. Состав специальных карбидов во всех быстрорежущих сталях одинаков. Это карбиды типа М6С, МС, М23С6 .

Классической быстрорежущей сталью считается сталь Р18. Она содержит 0,7 % углерода, 18 % вольфрама, 4 % хрома, 1 % ванадия. Как и все быстрорежущие стали, сталь Р18 относится к ледебуритному классу. Наличие  легирующих  элементов сдвигает все точки диаграммы «железо-цементит» далеко влево (точка S - 0,2-0,3 % углерода, а точка Е - 0,6 % углерода). Таким образом, при содержании 0,7 % углерода в структуре быстрорежущих сталей появляется ледеурит.   В процессе первичной и вторичной кристаллизации стали выделяются три типа специальных карбидов. Первичные карбиды входят в состав эвтектики (ледебурита). Вторичные выделяются (ниже линии SЕ) вследствие снижения растворимости углерода в аустените при уменьшении температуры. При температуре, примерно равной 800 оС (линия РSК), аустенит испытывает эвтектоидное превращение, распадаясь на феррит и карбиды. Структура стали Р18 после различных видов обработки приведена на рисунке 14.4.

 а)                                            б)                                           в)

а – литое состояние (ледебуритная эвтектика); б – ковка и отжиг; в – закалка и трехкратный отпуск

Рисунок 14.4 – Микроструктура быстрорежущей стали Р18 

С целью измельчения скелетообразных первичных карбидов, входящих в состав эвтектики, быстрорежущие стали после литья, подвергаются ковке и отжигу. После этой обработки структура представляет собой сорбитообразный перлит с включениями карбидов первичных и вторичных, отличающихся своими размерами. Зерна карбидов первичных крупнее зерен карбидов вторичных.

Типовая термическая обработка изделий из быстрорежущих сталей заключается в закалке и низком отпуске. Температура закалки стали Р18 равна 1280 о С. Высокая температура закалки необходима для растворения вторичных карбидов (W6C) и получения высоколегированного, высокоуглеродистого аустенита, из которого при последующем охлаждении в масле образуется высоколегированный мартенсит, обладающий высокой теплостойкостью. Высокая теплостойкость объясняется тем, что атомы вольфрама переходя при закалке из кристаллической решетки аустенита в решетку мартенсита сильно искажают ее. Возросшая энергия связи затрудняет диффузию углерода из кристалла мартенсита, и, тем самым, препятствует распаду мартенсита до температур 600-620 о С (мешает протеканию третьего превращения при отпуске). Первичные карбиды при нагреве под закалку практически не растворяются и препятствуют росту аустенитного зерна. После закалки сталь состоит из мелкоигольчатого мартенсита, первичных карбидов (W6C) и аустенита остаточного. Содержание аустенита остаточного составляет 30...35 %. С целью разложения аустенита остаточного, снижающего режущие свойства инструмента, проводится трехкратный низкий отпуск при 560-580 о С. Высокая температура низкого отпуска необходима для обеспечения протекания первого и второго превращений при отпуске в связи с затруднением диффузии углерода из искаженных вольфрамом  кристаллов мартенсита и аустенита.

В процессе отпуска происходит превращение аустенита остаточного в мартенсит, что вызывает повышение твердости на НRC 3...5. Это явление носит название вторичной твердости. После закалки и отпуска структура состоит из мелкоигольчатого мартенсита отпуска и карбидов (W6C).

Стали с особыми свойствами. В эту группу входят стали, обладающие высокой коррозионной стойкостью, жаростойкостью, износостойкостью, особыми магнитными свойствами. Широкое применение в химическом машиностроении получили хромоникелевые нержавеющие стали, например, сталь 12Х18Н9Т. Она устойчива во многих водных растворах кислот, щелочей, солей. Химический состав: 0,12 % углерода, 18...20 % хрома, 8...11 % никеля, до    0,08 % титана. Хром вводится для повышения коррозионной стойкости. Никель обеспечивает получение структуры аустенита во всем интервале температур. Титан предотвращает межкристаллитную коррозию. Сталь 12Х18Н9Т относится к сталям аустенитного класса.

Термическая обработка этих сталей заключается в закалке в воде с 1050...1100 оС. Нагрев до этих температур вызывает растворение карбидов хрома (М23С6), а быстрое охлаждение фиксирует аустенитное состояние. После закалки структура стали 12Х18Н9Т состоит из аустенита и небольшого количества карбида титана, включения которого располагаются внутри аустенитных зерен. Микроструктура стали, подвергнутой закалке, приведена на рисунке 14.5.

Рисунок 14.5 – Микроструктура стали 12Х18Н9Т (закалка)

Типовая термообработка низко- и среднелегированных сталей приведена в таблице 14.1.

Задание по работе

1 Изучить влияние легирующих элементов на полиморфизм железа и стали, стойкость переохлажденного аустенита, мартенситное превращение, превращения при отпуске.

2 Привести классификацию легированных сталей по равновесной структуре, структуре после охлаждения на воздухе, по составу, по назначению.

3 Дать маркировку легированных сталей.

4 Кратко описать конструкционные, инструментальные стали, стали  с особыми свойствами.

5 Изучить структуру предложенных шлифов, зарисовать ее и указать структурные составляющие и фазы. Под каждым рисунком должны быть указаны марка стали, содержание углерода и легирующих элементов, термическая обработка, примерные значения свойств.

Таблица 14.1 – Типовая термообработка сталей

Содержание углерода, %

Марка стали

Назначение

изделий

Характерные свойства

изделий

Вид

за

калки

Структура после закалки

Вид

отпуска

Структура после отпуска

Конструкционные

До

0,3 % – низкоуглеродистые

08кп

Для холодной штамповки

Высокая пластичность

ВСт.3, 09Г2, 17ГС, 10ХСНД

Для сварных конструкций

Хорошая свариваемость

18ХГТ, 20Х, 20ХГР

Цементируемые изделия (пальцы,  шестерни, оси)

Износостойкая  поверхность, вязкая сердцевина

Неполная

М +ЦIIост

Низкий

МоII

(0,3 –0,5) % – среднеуглеродистые

30Х, 35ХМ, 40Х, 40ХН, 40ХФА,  50Х, 50ХН,

Ответственные детали при высоких нагрузках (шатуны, коленвалы, цапфы)

Надежность от хрупкого разрушения

Полная

М

Высокий

Со

(0,5–0,8)% – высокоуглеродистые

50С2, 50ХГФА,  60СГА, 65Г, 70С3А

Пружины, рессоры

Высокая упругость

Полная

М + Аост

Средний

То

Инструментальные

доэвтектоидные

для горячей штамповки

3Х2В8Ф, 5ХНМ, 5ХГР, 4Х5В2ФС

Техоснастка для горячей штамповки (работающая при температурах 4000С и более)

Высокие механические свойства при рабочей температуре

Полная

М

Средний

раб = Тотп)

То

для холодной штамповки

6ХС, У7, 6ХВ2С, 7ХГ2ВМ

Техоснастка для холодной штамповки при значительных ударных нагрузках

Высокая твердость и прочность при повышенной вязкости инструментов

Полная

М + Аост

Низкий

Мо

заэвтектектоидные

9ХС, Х, ХГ, ХГР, У12, В1

Режущий, мерительный, штамповый инструмент для холодной штамповки

Высокая твердость

Неполная

М +ЦII + +Аост

Низкий

МоII


Список литературы

1 Лахтин, Ю. М. Материаловедение: учебник / Ю. М. Лахтин, В.П. Леонтьева. - М.: Машиностроение, 1990.- 527 с.

2 Лахтин, Ю.М. Металловедение и термическая обработка: учебник / Ю. М. Лахтин.- М.: Металлургия, 1983. -359 с.

3 Гуляев, А.П. Металловедение: учебник / А.П. Гуляев.- М.: Металлургиздат, 1986. -648 с.

4 Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: учебник / Б.Н. Арзамасов [и др.]. - М.: Машиностроение, 1986. –383 с.

5 Гольштейн, М.И. Специальные стали: справочник /  М.И. Гольштейн, С.В.Грачев, Ю.Г. Верслер.- М.: Металлургия, 1986. – 408 с.

6 Термическая обработка в машиностроении:  справочник / Под ред. Ю.М. Лахтина.- М.: Машиностроение, 1980.-783 с.

7 Журавлев, В.Н. Машиностроительные стали: справочник / В.Н. Журавлев, О.Н. Николаева. - М.: Машиностроение, 1981. - 392 с.

8 Худокормова, Р.Н. Материаловедение: лабораторный практикум: учеб. пособие для вузов / Р.Н. Худокормова, Ф.И. Пантелеенко; под ред. Л.С. Ляховича. - Мн.: Выш. шк., 1988.- 224 с.

9 Конструкционные материалы: справочник/ Под ред. Б.Н.Арзамасова - М.: Машиностроение, 1990. -688с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

43013. Способы изготовления и монтажа строительных конструкций 1.73 MB
  Стропильные фермы изготавливаются из прокатных профилей: верхний и нижний пояса из широкополочных тавров, решетка из уголков таврового сечения. Стержни в узлах приваривают полуавтоматом в среде СО2. На монтаж ферма поступает из нескольких отправочных марок. Монтажный стык осуществляется на сварке.
43014. Рентабельность производства продукции сельского хозяйства и пути ее роста на примере ООО «Алексеевское» Горьковского района Омской области 464 KB
  Для определения эффективности использования всех вложений в основные и оборотные фонды применяют рентабельность производственных фондов исчисляемая по следующей формуле: Рф = Пб Фосн фоб 1 где Рф – рентабельность производственных фондов Пб – прибыль балансовая руб. Рс = П : Сп 100 2 где Рс – рентабельность продукции П – прибыль от реализации продукции руб. Сп – полная себестоимость реализованной продукции руб.[2] Следующий показатель рентабельности – рентабельность вложений в предприятие...
43015. Технология и организация перевозки грузов морем 745 KB
  Транспортной характеристикой груза называется свойство товара, которое проявляется в процессе транспортировки и определяет этот процесс. В транспортную характеристику груза входят: физико-химические свойства, объемно-массовые показатели, тара, упаковка, режимы хранения, перегрузки и перевозки. Совокупность конкретных качественных и количественных показателей транспортной характеристики груза называется транспортным состоянием груза.
43017. Грузовой план морского судна 681.5 KB
  Решение данных задач обеспечивается грузовым планом судна который является комплексным мероприятиям при максимальной эффективности использования судна. Для этого должны быть решены следующие вопросы: краткое описание внешних условий протекания рейса; определение чистой грузоподъемности и количества поднимаемых грузов; расчет распределенной массы грузовых отсеков и помещений составление плана комплектации грузов и графическое изображение грузового плана;...
43018. Разработка предложений по созданию логистической системы 661 KB
  Поиск, обработка и анализ информации по поставщикам – весьма трудоемкий и долгий процесс. Если организация ищет поставщика для важной в стратегическом плане продукции, то необходимо помнить, что плохой поставщик может вызвать гораздо больше проблем, чем плохие материалы. Окончательный выбор поставщика производится лицом, принимающим решение, и не может быть полностью формализован. Тем не менее, существуют стандартные этапы решения этой задачи.
43019. ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ЗООПАРКА 504.5 KB
  В реляционной модели данных основным элементом представления о данных является отношение. Отношение задает информацию об объектах одного типа и хранится в виде таблицы. В столбцах таблицы сосредоточены различные характеристики этих объектов - атрибуты. Атрибут - определенная часть информации о некотором объекте. Строки таблицы предназначены для описания значений всех атрибутов отдельного объекта.
43020. Основы бухгалтерского управленческого учета 274.5 KB
  Менеджеры несут повседневную ответственность за руководство предприятием. Их действия и решения влияют на финансовую стабильность предприятия. Составление планов на будущее и оперативное управление предприятием требуют большого количества разнообразной учетной информации..
43021. Оптимизация загрузки транспортных средств и портовых складов 934.5 KB
  В качестве непосредственных задач курсового проекта необходимо произвести: 1 Оптимальную загрузку железнодорожного подвижного состава с учётом свойств груза. 5 Расчет количества груза на рейс определение максимальной загрузки распределенного веса грузовых помещений. Характеристики заданного судна Ленинская Гвардия Общие характеристики судна Длина наибольшая м 13525 Ширина наибольшая м 1799 Грузоподъемность т 6280 Дедвейт...