Практическая работа
Тема: МИКРОСТРУКТУРА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Цель работы: научиться самостоятельно анализировать структуры и по виду определить структурные составляющие легированных сталей с помощью фотографий.
Приборы, материалы и инструменты.
Фотография микроструктур изучаемых сталей.
Циркуль и линейка.
Рекомендуемая литература:
Кузьмин Б.А. Самохоцкий А.И. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. – М., Высш. Школа, 1997.
Легированные стали классифицируются по назначению, составу, количеству легирующих элементов и структуре.
В зависимости от назначения легированные стали делятся на:
• Конструкционныестали (цементируемые, улучшаемые, пружинно
рессорные и др.), применяемые для изготовления деталей машин: •Инструментальные стали, применяемые для изготовления режущего, измерительного и штамповогоинструмента;
• Стали с особыми свойствами, например, нержавеющие, жаропрочные жаростойкие и т.д.
Низкоуглеродистые стали (цементитные)
К низкоуглеродистым сталям относятся стали с содержанием углерода до 0,25%, например, марок 15Г; 20Х; 18хГТ; 20х2Н4А и др.
Легированные низкоуглеродистые стали после отжига имеют структуру феррит +перлит, а так же после закалки малоуглеродистый мартенсит.
Установлено, что добавки азота вместе с нитридообразующими элементами способствует значительному измельчению зерна и повышению температуры начала роста зерна аустенита. Нитриды влияют на свойства стали также путём воздействия на кинетику превращения аустенита и на дисперсное твердение.
Высокая пластичность, мелкое зерно и особенно высокая температура его роста способствуют получению качественных сварных соединений листов толщиной от 20 мм — сталь с нитридами алюминия и до 100 мм (сталь с нитридами ванадия). Низколегированная сталь с нитридным упрочнением удовлетворительно деформируется в холодном и горячем состояниях. Сталь такого типа характеризуется высоким сопротивлением хрупкому разрушению и достаточно низким порогом хладно ломкости.
В настоящее время для изготовления различного рода сварных конструкций деталей и узлов используется большое число марок малоуглеродистых и среднелегированных сталей, соответствующих ГОСТ 380-7.1; 5521-67; 6713-75; 1050-75; 19282-73, а также техническим условиям и отраслевым стандартам.
Согласно ГОСТ 19282-73, предусматривается выпуск 28 марок низколегированной стали, применяемой для сварных конструкций в промышленном и гражданском строительстве и машиностроении.
Химический состав (%) некоторых цементуемых (низколегированных) сталей (ГОСТ 1050-74 и 4543-71)
Марка
стали
Элементы
Другие
элементы
C
Mn
Cr
Ni
20Х
0,17-0,23
0,5-0,8
0,7-1,0
≤0,25
—
15ХФ
0,12-0,18
0,4-0,7
0,8-1,1
≤0,25
0,06-0,12V
12ХН2
0,09-0,16
0,3-0,6
0,6-0,9
1,5-1,9
—
12ХН3А
0,09-0,16
0,3-0,6
0,6-0,9
2,75-3,15
—
20Х2Н4А
0,16-0,22
0,3-0,6
1,25-1,65
3,25-3,65
—
18ХГТ
0,17-0,23
0,8-1,1
1,0-1,3
≤0,25
0,03-0,09Ti
25ХГТ
0,22-0,29
0,8-1,1
1,0-1,3
≤0,25
0,03-0,09Ti
18Х2Н4МА
0,14-0,20
0,25-0,55
1,35-1,65
4,0-4,4
0,3-0,4Mo
20ХГНР
0,16-0,23
0,7-1,0
0,7-1,0
0,8-1,1
0,001-0,005В
Цементуемые легированные стали целесообразно применять для тяжело нагруженных деталей и в том числе для деталей, в которых необходимо иметь высокую твёрдость и вязкость поверхностного слоя и достаточно прочную сердцевину. В легированных цементуемых сталях, несмотря на небольшое содержание углерода, благодаря значительному количеству легирующих примесей, гораздо легче получить при термический обработке более высокую прочность и вязкость сердцевины из-за образования в ней структур бейнита или низкоуглеродистого мартенсита. Поэтому из них изготовляют ответственные детали.
Стали хромистые (20Х), хромованадиевые (15ХФ), хромоникелевые (12ХН2). Их при меняют для изготовления деталей небольших и средних размеров, работающих на износ при повышенных нагрузках (втулки, валики, оси, некоторые зубчатые колёса, кулачковые муфты, поршневые пальцы и др.).
Стали хромоникелевые (12ХН3А, 20Х2Н4А), хромомарганцетитановые (18ХГТ, 25ХГТ), хромоникельмолибденовые (18Х2Н4МА). Их применяют для деталей средних и больших размеров, работающих на износ при высоких нагрузках (зубчатые колёса, поршневые пальцы, оси, ролики и др.).
Хромоникелевые стали мало чувствительны к перегреву, хорошо прокаливаются, но их применяют ограниченно из-за дефицитности никеля. Поэтому во всех случаях, когда нет крайней необходимости, хромоникелевые стали заменяют сталями без никеля.
Цементуемые хромомарганцетитановые стали (18ХГТ, 25ХГТ) являются заменителями хромоникелевых сталей. Преимуществом сталей 18ХГТ и 25ХГТ является их наследственная мелкозернистость (размер зерна №6-8). Это технологическое свойство позволяет значительно сократить общий технологический цикл обработки и закаливать детали из этих сталей непосредственно из цементационной (газовой) печи с предварительным подстуживанием.
Борсодержащие стали (20ХГНР). В конструкционные стали бор вводят в количестве от 0,001 до 0,005% (так называемое микролегирование). Бор повышает плотность слитка, устраняет дендритную структуру. Стали с бором легче обрабатываются при горячей пластической деформации, хорошо обрабатываются резанием.
Улучшаемые (среднелегированные) стали
Эти стали называют улучшаемыми потому, что их часто подвергают улучшению—термической обработке, заключающейся в закалке и отпуске при высоких температурах. Улучшаемые стали должны иметь высокую прочность, пластичность, высокий предел выносливости, малую чувствительность к отпускной хрупкости, должны хорошо прокаливаться. Химический состав некоторых улучшаемых сталей приведён в таблице:
Химический состав (%) некоторых улучшаемых среднелегированных сталей (ГОСТ 1050-74 и 4543-71)
Марка
стали
Элементы
Другие
элементы
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--
элементы
C
Cr
Ni
Mo
V
15ХМ
Перлитный
0,11-0,18
0,8-1,1
—
0,4-0,55
—
—
12Х1МФ
0,08-0,15
0,9-1,2
—
0,25-0,35
0,15-0,3
—
15Х11МФ
Мартенситный
0,12-0,19
10-11,5
—
0,6-0,8
0,25-0,4
—
40Х9С2
0,35-0,45
8-10
—
—
—
2-3Si
20Х12ВНМФ
0,17-0,23
10,5-12,5
0,5-0,9
0,5-0,7
0,15-0,3
0,5-0,9Mn
0,7-1,1W
09Х14Н16Б
Аустенитный
0,07-0,12
13-15
14-17
—
—
1-2 Mn
0,9-1,3Nb
45Х14Р14В2М
0,4-0,5
13-15
13-15
0,25-0,4
—
2-2,8% W
40Х15Н7Г7Ф2МС
0,38-0,47
14-16
6-8
0,65-0,95
1,5-1,9
0,9-1,4Si
6-8Mn
ХН77ТЮР
Сплав
≤0,07
19-22
Осн.
—
—
2,4-2,8Ti
0,6-1Al
≤0.01B
ХН55ВМТФКЮ
≤0,12
9-12
>
4-6,
0,2-0,8
1,4-2 Ti
12-16 Co 4.5-6.5 W 3.6-4.5 Al
≤0.02 B
Детали из стареющих сталей подвергают закалке в воде, масле или на воздухе с температуры 1050-1200оС с последующим длительным (8-24ч) старением при температуре 600-800оС. При нагреве под закалку происходит растворение в твёрдом растворе (аустените) карбидов и других фаз, а после охлаждения получается однородный, пересыщенный твёрдый раствор (аустенит). При старении из пересыщенного твёрдого раствора (аустенита) выделяются высокодисперсные частицы карбидов и других фаз, упрочняющие сталь.
Жаростойкость сталей аустенитного класса 800-850оС.
Для работы при 800-1100оС применяют жаропрочные сплавы на никелевой основе, например ХН77ТЮР, ХН55ВМТФКЮ для лопаток турбин. Эти сплавы стареющие и подвергаются такой же термической обработке (закалке и старению), как и стареющие стали аустенитного класса. Жаростойкость сплавов на никелевой основе до 1200ºС.
Порядок выполнения работы
Ознакомились с целью, заданием и методическими указаниями к лабораторной работе. Установить нужное увеличение для стальных образцов. Пользуясь фотографиями микроструктур и схемами зарисовок проанализировать структурные составляющие легированных конструкционных сталей. Сделать их зарисовки.
Ответ должен содержать
Цель работы, задание.
Характеристику структур исследуемых сталей.
Зарисовки структур сталей.
Протокол с приложением структурных составляющих исследуемых образцов.
Выводы о работе.
Ответить на контрольные вопросы
Что называется легированной сталью?
Какие требования предъявляются к конструкционным сталям?
Перечислите стали которые входят в разряд конструкционных?
Где применяются хромистые стали?
Какие стали называют быстрорежущими? Определите область их применения.
Расшифруйте следующие марки сталей: ХН77ТЮР, ХН55ВМТФКЮ, 40Х9С2, 30ХГСА.