Лабораторная работа № 8. Изучение зависимости между структурой и свойствами легированных конструкционных сталей

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

 

8.1 Общие положения

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

По составу стали могут быть хромистые, хромоникелевые, хромони-кельмолибденовые 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 указывает, 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 %.

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.

Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита и термообработку. 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.

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

 

Конструкционные стали

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

Цементируемые стали имеют низкое содержание углерода
(не более 0,25 %), к ним относятся 15Х, 20Х, 15ХР, 20ХГР, 18ХГТ. Эти стали подвергаются цементации и последующей термической обработке, заключающейся в закалке и низком отпуске. После такой обработки твердость поверхностной зоны составляет около 60 HRC, а сердцевины – примерно 15–30 HRC. Упрочнение сердцевины тем больше, чем выше содержание углерода и легирующих элементов. В соответствии с этим цементуемые стали делят на три группы: углеродистые стали с неупрочняемой сердцевиной, низколегированные со слабо упрочняемой сердцевиной и сердцевиной сильно упрочняемой при термической обработке.

В нелегированных низкоуглеродистых сталях (10, 15, 20) «С-образ­ная» кривая на диаграмме изотермического превращения аустенита сдвинута настолько влево, что даже при интенсивном охлаждении после закалки в сердцевине образуется ферритно-цементитная смесь. Эта сталь практически не упрочняется термической обработкой.

В низкоуглеродистых слабо легированных сталях после закалки в масле структура претерпевает бейнитное превращение и заметно упрочняется (15Х, 20Х, 15ХР, 20ХН).

В высоколегированных цементуемых сталях охлаждения в масле и даже на воздухе достаточно для получения структуры нижнего бейнита или мартенсита, что приводит к интенсивному упрочнению (20ХГР, 20ХНР, 18 ХГТ, 30ХГТ, 12ХНВ, 12Х2Н4, 18Х2Н4ВА).

Таким образом, деление на три группы соответствует структуре, получаемой в сердцевине при охлаждении в масле, ферритно-перлитной, бейнитной или мартенситной.

Выбор марки стали для цементуемых изделий основан на следующих соображениях.Для изделий простой конфигурации, не испытывающих значительных напряжений, следует применять простые углеродистые стали; для деталей, испытывающих большие напряжения и удары, хромоникелевые высокопрочные.

Рассмотрим термическую обработку низколегированной цементируемой стали 20Х. Сталь применяется для изготовления конструкционных деталей повышенной прочности – шестерней, втулок, осей, поршневых колец. Термическая обработка деталей из этой стали заключается в цементации, неполной закалке и низком отпуске. После цементации изделия имеют высокоуглеродистую поверхностную зону, содержание углерода в которой достигает 1,1 %, и низкоуглеродистую сердцевину с содержанием углерода 0,2 %. Микроструктура этой стали представлена на рисунке 8.1.

 

а)                                        б)                                     в)

 

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

 

Рисунок 8.1 – Микроструктура стали 20Х

 

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

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 зависит в основном от содержания легирующих элементов.

Улучшаемые стали содержат 0,3–0,5 % углерода и легирующие элементы в количестве до 5 %. Наиболее распространенными являются
стали 40Х, 40ХР, 30ХМ, 40ХГ, 40ХНМ, 40ХН. Термическая обработка этих сталей заключается в закалке и высоком отпуске (улучшении).

Рассмотрим термическую обработку улучшаемых сталей на примере стали 40ХНМ. Комплексное легирование приводит к увеличению прокаливаемости (критический диаметр равен 70 мм).

Наличие никеля вызывает снижение порога хладноломкости до минус 80 ^оС. После полной закалки сталь имеет структуру мартенсита. Последующий высокий отпуск обеспечивает получение структуры сорбита отпуска (рисунок 8.2).

 

а)                                                                 б)

           

 

а – отожженное состояние (феррит и перлит); б – улучшенное (сорбит отпуска)

 

Рисунок 8.2 – Микроструктура стали 40 ХНМ

 

Улучшаемые стали по прокаливаемости условно разбиты на пять групп:

1) простые углеродистые 40, 45. Применяют для изготовления деталей в нормализованном или улучшенном состоянии. Улучшение проводится для деталей диаметром 10–15 мм;

2) для деталей небольших сечений» 20 мм, от которых требуются достаточно высокие механические свойства. Применяются стали типов 40Х, 40ХР;

3) введение дополнительно Mn, Si, Mo, Ti позволяет увеличить прокаливаемость до 20–40 мм (30ХМ, 40ХГ, 40ХГР, 30ХГТ, 30ХГС);

4) входят стали, содержащие до 1,5 % Ni. Эти стали прокаливаются в сечении до 40–70 мм (40ХН, 40ХНР, 40ХНМ);

5) при сечении более 70 мм применяют стали с 3 % Ni (30 ХН3, 30ХН2ВФ).

Подчеркнем, что легирование всеми элементами, за исключением Ni, снижает запас вязкости, а следовательно, и надежности детали. Поэтому необходимо применять стали, минимум легированности которых определяется условием прокаливаемости данной детали.Типовая термообработка конструкционных сталей приведена в таблице 8.1.

 

Таблица 8.1 – Типовая термообработка конструкционных сталей

Содержание углерода, %	Марка стали	Назначение изделий	Характерные свойства изделий	Вид закалки	Структура после закалки	Вид отпуска	Структура после отпуска
Конструкционные
До 0,3 % – низко-углеродистые	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 + + ЦII + + Аост	Низкий	Мотп + + ЦII
0,3–0,5 % – средне-углеродистые	30Х, 35ХМ, 40Х, 40ХН, 40ХФА, 50Х, 50ХН,	Ответственные детали при высоких нагрузках (шатуны, коленвалы, цапфы)	Надежность  от хрупкого разрушения	Полная	М	Высокий	Сотп
0,5–0,8 % – высоко-углеродистые	50С2, 50ХГФА, 60СГА, 65Г, 70С3А	Пружины, рессоры	Высокая упругость	Полная	М + + Аост	Средний	Тотп

 

Контрольные вопросы

1 Изучить типовую термообработку конструкционных сталей, получаемые структуры и свойства.

2 Усвоить классификацию сталей по прокаливаемости.

3 Изложить классификацию цементируемых сталей по степени упроч­нения сердцевины, получаемые структуры и свойства.

Задание

1 Изучить структуры предложенных шлифов, зарисовать и указать структурные составляющие, фазы, прогнозировать свойства.