Лабораторная работа № 3. Изучение влияния легирующих элементов на кинетику распада переохлажденного аустенита, структуру и свойства легированных сталей различных структурных классов;

 

МЕЗОСТРУКТУРА, МАРКИРОВКА И КЛАССИФИКАЦИЯ

ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Цель работы

Изучение влияния легирующих элементов на кинетику распада переохлажденного аустенита, структуру и свойства легированных сталей различных структурных классов; знакомство с классификацией и маркировкой легированных сталей.

 

Легированная сталь – это сплав железа с углеродом и легирующими элементами (Cr, Ni, Мо, W, Vи др.), специально вводимыми в сталь с целью изменения ее структуры и свойств в желаемом направлении. Кремний и марганец присутствующие в стали в ограниченном количестве как технологические примеси (Si до 0 4%, Мn до 0, 81) также могут быть легирующими элементами, если их содержание превышает указанные выше значения.

 

Маркировка легированных сталей

 

Для маркировки легированных сталей в нашей стране принята система обозначения марок стали буквами и цифрами.

Каждый легирующий элемент обозначается заглавной буквой русского алфавита: А - азот; Б - ниобий; В - вольфрам; Г - марганец; Д - медь;
К - кобальт; М - молибден; Н - никель; Р - бор; С - кремний; Т - титан;
Ф - ванадий; Ц - цирконий; Ю - алюминий.

Цифры в начале марки указывают на содержание углерода в сотых (конструкционные стали) или в десятых (инструментальные стали) долях, процента.

Цифра после буквы в марке стали указывает на количество того или иного элемента в процентах, округленное до целого числа. Отсутствие цифры после буквы указывает на то, что количество данного элемента составляет менее 1, 5%. Например: конструкционная сталь марки 30ХЗМФ содержит около 0, 3% углерода и 3% хрома, а молибдена и ванадия менее 1, 5%; инструментальная сталь 9ХС содержит около 0, 9% углерода, хрома и кремния менее 1, 5%. Если в инструментальных сталях содержание углерода составляет один процент и более, то цифра в начале марки обычно не ставится. Так, сталь В2Ф содержит около 1, 2% углерода, 2% вольфрама и менее 1, 5% ванадия. Буква А в конце марки стали показывает на ее принадлежность к категории высококачественных (12Х2МФА).

Две буквы А или буква Ш (электрошлаковый переплав) в конце марки стали показывают, что сталь относится к категории особовысококачественных (15Х2НМФАА, ЗОХГС-Ш).

Легированные стали различных качественных категорий различаются по тщательности выплавки, что определяется в первую очередь максимально допустимым содержанием вредных примесей серы и фосфора.

Содержание серы и фосфора в сталях различных категорий не должно превышать 0, 04% каждого в отдельности.

Буква А в середине марки стали указывает на содержание в ней азота (16Г2АФ, 2ЗГ2САФ), а в начале марки - на то, что сталь автоматная, повышенной обрабатываемости (А35Г2).

Некоторые стали с особыми физическими свойствами, а также некоторые конструкционные и инструментальные стали, имеют в начале марки букву, характеризующую область применения: Ш - шарикоподшипниковые стали; Р - быстрорежущие стали; Е - стали для постоянных магнитов.

Таблица 3.1

Классификация легированных сталей

 

Категория стали	Содержание %
серы	фосфора
Качественная	0, 035	0, 035
Высококачественная	0, 025	0, 025
Особовысококачественная	0, 015	0, 025

 

Легированные стали классифицируют по различным признакам.

По назначению легированные стали делят на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.

По содержанию легирующих элементов, т.е. по степени легированности, легированные стали делят на низколегированные, в которых суммарное содержание легирующих элементов меньше 2, 5%, среднелегированные, содержащие от 2, 5 до 10% легирующих элементов, и высоколегированные, содержащие больше 10% легирующих элементов.

По числу компонентов, считая железо, углерод и легирующие элементы, но пренебрегая примесями (марганцем, кремнием, серой и фосфором), стали могут быть двухкомпонентными (углеродистые), трех - компонентными (один легирующий элемент), четырехкомпонентными (два легирующих элемента) и т.д. Стали, содержащие больше трех легирующих элементов, обычно называют многокомпонентными или сложнолегированными.

По мезоструктуре после нормализации (термическая обработка: нагрев выше температуры А∼ и охлаждение на спокойном воздухе) легированные стали делятся на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный. Образование той или иной структуры легированных сталей после нормализации можно объяснить с помощью диаграмм изотермического распада аустенита (рис. 3.1). Большинство легирующих элементов сдвигает С-образные кривые начала и конца распада аустенита вправо, увеличивая его устойчивость (т.е. время до начала распада) и снижает температуру начала мартенситного превращения М_н.

 

а б в

 

Рис. 31. Диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита сталей перлитного (а), мартенситного (б) и аустенитного (в) классов

 

Устойчивость переохлажденного аустенита в сталях перлитного класса при температурах ниже А, невелика, поэтому при охлаждении на воздухе (скорость охлаждения на рис. 3.1, а обозначена стрелкой) происходит распад аустенита с образованием смеси феррита и цементита (перлит, сорбит или троостит). К сталям этого класса обычно относятся низколегированные стали, например четырехкомпонентная сталь 15ХМ. Наличие в стали молибдена увеличивает сопротивление ползучести и обусловливает ее применение для труб пароперегревателей, паропроводов и коллекторов, роторов и дисков турбин.

Структура этой стали после нормализации состоит из феррита и перлита (рис. 3.2, а).

Среднелегированные стали относятся обычно к сталям мартенситного класса, т.е. после нормализации имеют структуру мартенсита. Кривые начала и конца распада аустенита этих сталей на диаграмме изотермического распада (рис. 3.1, б) так сильно сдвинуты вправо, что линия характеризующая скорость охлаждения, соответствующая процессу нормализации, пересекает изотерму мартенситного превращения, обычно не касаясь кривой начала распада аустенита.

а

в

б

 

Рис. 3.2. Мезоструктуры легированных сталей: а – перлитного класса (15ХМ: перлит и феррит), б – мартенситного класса (18ХН4ВА: мартенсит), в – аустенитного класса (12Х18Н10Т: зерна аустенита с двойниками скольжения)

 

К сталям мартенситного класса относится, например сталь марки 18ХН4ВА. Эта сталь закаливается не только в масле, но и на воздухе. Она отличается высокими механическими свойствами и поэтому применяется для изготовления ответственных изделий: коленчатых валов, валов редукторов, шестерен. После нормализации и высокого отпуска она имеет предел прочности при растяжении 1000 МПа, относительное удлинение 10Х и ударную вязкость 1, 2 МДж/м². Ее структура после нормализации – мартенсит (рис. 3.2, б).

При высоком содержании таких элементов как никель, марганец и некоторые другие кривые распада аустенита очень сильно сдвигаются вправо, а температура начала мартенситного превращения М снижается ниже нуля. Поэтому линия охлаждения, соответствующая процессу нормализации не пересекает ни кривую начала распада аустенита, ни линии мартенситного превращения (рис. 3.1, в).

Мезоструктура высоколегированных сталей, содержащих в своем составе большое количество никеля или марганца (или обоих элементов вместе), после нормализации состоит из зерен легированного аустенита.

На рис. 3.2, в показана мезоструктура стали 12Х18Н10Т, относящейся к аустенитному классу: видны зерна аустенита с двойниками скольжения. Эта сталь является нержавеющей, так как содержание хрома в ней около 18%, а при содержании хрома более 12% в сталях на поверхности образуется защитная оксидная пленка Cr₂О₃, надежно предохраняющая металл от окисления в морской воде, перегретом и насыщенном паре, в азотной и серной кислотах и в ряде других сред. Ее применяют для изготовления различной аппаратуры в химической, нефтяной и пищевой промышленности. Вследствие хорошей жаростойкости этой стали на воздухе и в выхлопных газах она применяется для изготовления выхлопных патрубков, коллекторов, глушителей и других деталей, отводящих отработанные газы.

Стали аустенитного класса немагнитные, поэтому они применяются в электротехнике и других областях промышленности для изготовления немагнитных деталей повышенной прочности.

Кроме трех перечисленных классов имеются еще два структурных класса легированных сталей: ферритный и ледебуритный.

Стали ферритного класса содержат очень мало углерода и большое количество легирующих элементов (хром, кремний, вольфрам и др.), расширяющих область α -железа на диаграмме состояния. В сталях этого класса структура легированного феррита сохраняется до плавления, так как никаких аллотропических превращений эти стали не претерпевают и поэтому относятся к незакаливающимся. При их нагревании происходит только рост зерна. На рис. 3.3, а показана мезоструктура стали ферритного класса марки 1411(Э4). Ее химический состав: не более 0, 03% углерода, 3, 8-4, 8% кремния. Мезоструктура состоит из крупных зерен кремнистого феррита. Сталь в виде тонких листов применяется для изготовления сердечников трансформаторов, так как отличается низкой коэрцитивной силой и высоким электросопротивлением, что снижает потери на вихревые токи.

Стали ледебуритного класса содержат большое количество углерода и карбидообразующих элементов (Cr, Мо, W, V ). Характерной особенностью их структуры является наличие ледебуритной эвтектики, состоящей из карбидов и перлита (сорбита, троостита). Возможно образование некоторого количества мартенсита и частичное сохранение аустенита.

а

б

в

 

Рис. 3.3. Мезоструктуры легированных сталей: а – a-сталь ферритного класса 1411 (34): зерна кремитного феррита; б – b-сталь ледебуритного класса Р18 литая; ледебуритная эвтектика, остаточный аустенит и продукты распада аустенита (тростосорбит); в – g-сталь Р 18 кованная и термическая обработанная: мартенсит отпущенный и мелкораздробленные карбиды

 

Типичным представителем сталей ледебуритного класса является быстрорежущая сталь марки Р18 следующего химического состава: 0, 7... 0, 8% углерода; 3, 8-4, 4% хрома; 17, 5-19% вольфрама и 1, 05-1, 4% ванадия. В литом состоянии структура этой стали состоит из остаточного аустенита, ледебуритной эвтектики, представляющей собой смесь сложных карбидов скелетообразного вида, и продуктов распада аустенита – сорбита и троостита (рис. 3.3, б). Ледебуритная эвтетика придает быстрорежущей стали повышенную хрупкость и создает опасность выкрашивания режущей кромки инструмента при ударах в процессе резания. Для устранения хрупкости литую быстрорежущую сталь подвергают горячей обработке давлением (прокатке, ковке), в процессе которой крупные карбиды размельчаются и в виде мелких включений равномерно распределяются в металлической основе.

Для повышения твердости и красностойкости режущих инструментов, из стали Р18 их подвергают закалке при высоких температурах (1280 °С) и двукратному отпуску при 560-580 °С. Структура кованой и термически обработанной стали Р18, показанная на рис. 3.3, в представляет собой чрезвычайно мелкоигольчатый (бесструктурный) мартенсит с равномерно распределенными в нем мелкораздробленными карбидами.

Порядок выполнения работы

Для выполнения работы студентам предоставляется микроскоп и набор микрошлифов сталей 15ХМ, 18ХН4ВА, 12Х18Н10Т, P18 (литой и кованой термически обработанной) и 1411(Э4).

Необходимо:

1. Просмотреть под микроскопом все шлифы набора и зарисовать их мезоструктуру;

2. Определить структурный класс стали и стрелками указать на каждом рисунке структурные составляющие;

Контрольные вопросы

1. В чем заключается процесс легирования сталей?

2. С какой целью производят легирование Cr, Ni, Мо, W, V?

3. Как обозначаются легирующие элементы в марках сталей?

4. Как влияет процесс легирования на превращения при термообработке?

5. Какие категории сталей Вы знаете?

6. Дайте классификацию легированных сталей.

7. Мезооструктура легированных сталей после нормализации?

8. Что такое перлитные стали и их применение? Нарисовать диаграмму.

9. Что такое мартенситные стали и их применение? Нарисовать диаграмму.

10. Что такое аустенитные, ферритные, ледебуритные стали? Нарисовать их диаграммы.

Литература

1. Арзамасов Б.Н. и др. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 2002. – 648 с.

2. Лахтин Ю.М. Леонтьева Б.Н. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990. – 528с.

3. Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. – М.: Высшая школа, 2004. – 519 с.

4. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие / под ред. В.С. Чередниченко. - 3-е изд., стер. - М.: Омега-Л, 2007. - 752 с.

5. Материаловедение. Технология металлов /Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. под общей ред. Г.П. Фетисова. М: Высш. шк. 2006.