Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Влияние легирующих элементов на полиморфные превращения железа




Все легирующие элементы, за исключением C, N, H, В, растворяясь в железе, замещая его атомы, влияют на положение критических точек (А3 (точка G) и А4 (точкаN)), определяющих температурную область существования б- и г- железа.

Т.о., легирующие элементы делятся на две группы:

1-я группа – элементы стабилизирующие аустенит (г- фазу).

2-я группа – элементы стабилизирующие феррит (б- фазу).

К элементам первой группы относятся Ni и Mn, которые понимают точку А3, и повышают точку А4. В результате этого на диаграмме Fе – л.э. наблюдается расширение области г- фазы и сужение области существования б- фазы.

рисунок 1

Рассмотрим три сплава:

І сплав – г- фаза закристаллизовалась и существует до комнатной температуры, т.е. сплав с концентрацией л.э. > x2 не испытывает фазовых превращений (б ↔ г). Такие сплавы называют аустенитными.

ІІ сплав – происходит частичное превращение г ↔ б. Это аустенито-ферритные сплавы (полуаустенитные).

ІІІ сплав – происходит полное полиморфное превращение. Такие сплавы называют ферритными (полностью образуется б- фаза).

К элементам І группы относятся также Cu, C, N – при небольшом содержании в сплаве они расширяют область существования г- фазы, а при большом содержании сужают однофазную область г- фазы или образуют химическое соединение – е- фазу(рис. 2).

Cu, C, N – образуют химическое соединение – е.

 

Рисунок 2.

Элементы второй группы – Cr, W, Mo, V, Si, Al, Ti и др. – понижают точку А4 и повышают точку А3. (Все эти легирующие элементы имеют ОЦК-решетку, за исключением Al (ГЦК)).

При определенной концентрации легирующих элементов критические точки А4 и А3, а также их интервалы, сливаются, и область г- фазы полностью замыкается (выклинивается) (рис3)

рисунок 3

При содержании легирующего элемента (л.э.) > y1 %, сплавы (типа I) при всех температурах состоят из твердого раствора л.э. в б-железе. Такие сплавы называются – ферритными (например, образуются при содержании Cr>12%).

Сплавы типа ІІ – имеют частичное превращение б↔г и называются феррито-аустенитными (полуферритными).

Сплавы типа ІІІ – сплавы с полным полиморфным превращением б↔г.

Легирующие элементы оказывают большое влияние на эвтектоидную концентрацию углерода (точка S диаграммы Fе – С) и предельную растворимость углерода в г- железе (точка Е).

Легирующие элементы: Ni, Co, Si, W, Mo, Cr, Mn – точки S и Е сдвигают влево в сторону меньшего содержания углерода, а V, Ti, Nb – наоборот, повышают концентрацию углерода в эвтектоиде.

Например:

введение 5% Cr сдвигает т. S до 0,5% С; т. Е до 1,3% С;

введение 10% Cr сдвигает т. S до 0,25ч0,3% С; т. Е до 1% С.

Пример. Быстрорежущая сталь (самокал – закаляется на воздухе). Содержит углерода 0,7 – 0,8%, W – 9ч18%. Происходит значительное смещение точек E и S. При таком легировании и содержании углерода в структуре образуется ледебурит (сталь относится к ледебуритному классу).

30) Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита

Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита является прямым

следствием различной устойчивости карбидов этих элементов. Избыточные карбиды, не

растворенные в аустените, препятствуют росту аустенитного зерна. В связи с этим, хром,

молибден, вольфрам, ванадий,титан сильно измельчают зерно; никель, кобальт, кремний,

медь (элементы, не образующие карбидов) - слабо влияют на рост зерна; марганец, бор -

способствуют росту зерна.

Прокаливаемость стали может быть особенно увеличена при совместном

легировании несколькими элементами. Таково, например, совместное действие никеля и

хрома. Очень эффективно действует молибден при введении его в хромоникелевую сталь.

Своеобразно влияют на кинетику распада такие сильные карбидообразователи, как

Ti, V, Nb и отчасти W. Так как элементы образуют труднорастворимые карбиды, то при

обычных температурах закалки (800-900 °С) они остаются связанными в карбиды и не

переходят в аустенит. В результате этого прокаливаемость стали уменьшается, так как

карбиды действуют как готовые центры кристаллизации перлита. При высоком нагреве

под закалку эти карбиды уже растворяются в аустените, что увеличивает

прокаливаемость.

Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение

Легирующие элементы, не влияя на кинетику мартенситного превращения,

оказывают влияние на положение температурного интервала мартенситного превращения,

что отражается на количестве остаточного аустенита, которое фиксируется в закаленной

стали. Некоторые элементы повышают мартенситную точку и уменьшают количество

остаточного аустенита (Аl, Со), другие не влияют на нее (Si), но большинство снижают

мартенситную точку и увеличивают количество остаточного аустенита.

Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного превращения и

количество остаточного аустенита сталей, содержащих 1%С. например, 5 %Мп снижает мартенситную точку до 0 °С,

следовательно, при таком (или большем) содержании этого легирующего элемента

охлаждением можно зафиксировать аустенитное состояние.

31)При классификации сталей по структуре учитываются особенности

ее строения в нормализованном и отожженном состояниях.

1. В нормализованном состоянии после охлаждения на воздухе ста-

ли подразделяются на стали перлитного, мартенситного, аустенитного и фер-

ритного классов.

Стали перлитного класса. Кривая скорости охлаждения на воздухе

(рис. 10.3, а) пересекает область перлитного превращения с образованием

структур: перлит, сорбит и тростит (из-за невысокой устойчивости переох-

лажденного аустенита). К этому классу относятся углеродистые и низколеги-

рованные стали.

а б в

Рис. 10.3. Диаграмма изотермического распада аустенита для сталей трех структурных

классов: а – перлитного; б – мартенситного; в – аустенитного

Стали мартенситного класса. Они отличаются высокой устойчиво-

стью переохлажденного аустенита. Так как с увеличением содержания леги-

рующих элементов область перлитного распада сдвигается вправо и охлаж-

дение на воздухе приводит к мартенситному превращению (рис. 10.3, б).

К этому классу относятся средне- и высоколегированные стали.

Стали аустенитного класса. Эти стали получают при увеличении со-

держания легирующих элементов (Mn, Ni), сдвигая вправо область перлитно-

го превращения (рис. 10.3, в). Также у них интервал мартенситного превра-

щения ниже 0 °С, поэтому аустенитная структура сохраняется ниже Т = 20–25

°С.

Стали ферритного класса. Эти стали получают введением элементов

хром, кремний, вольфрам, ванадий и др. расширяющих α-область.

Легирующие элементы значительно влияют на фазовые превращения

в сталях. На рис. 10.4. показаны изменения вида диаграммы Fe–Fe3C, т. к.

элементы Cr, Si, V, Ti и др. уменьшают эвтектоидную концентрацию углеро-

да и его предельную растворимость в аустените при всех температурах, сдви-

гая точки S и Е влево.

Повышение содержание легирующих элементов в составе сталей

смещает точку S на диаграмме Fe–Fe3C влево (рис. 10.4), что способствует

формированию заэвтектоидной структуры при невысоком содержании угле-

рода. Например, ее имеет сталь 40Х13.

2. В отожженном состоянии по структуре, полученной в условиях

равновесия, легированные стали делят на классы:

доэвтектоидный – структура: эвтектоид и легированный феррит;

эвтектоидный – с перлитной структурой;

заэвтектоидный – структура эвтектоид и избыточные вторичные кар-

биды;

карбидный – стали этого класса в литом состоянии имеют в структуре

эвтектику – ледебурит при 0,8–1,2 % С, т. к. высокое содержание легирую-

щих элементов смещает точку Е на диаграмме Fe–Fe3C влево (рис. 10.4). На-

пример, в стали Х12Ф1, легированной 12 % Cr, ледебурит появляется в

структуре при содержании углерода ≈ 1,3 %. Характерно, что небольшое ко-

личество ледебуритной эвтектики при пониженном содержании углерода, не

снижает способности сплава обрабатываться давлением в горячем состоянии,

тогда как нелегированный белый чугун (С > 2,14 %) теряет способность к об-

работке давлением даже при малых количествах ледебурита.

32) Классификация сталей перлитного класса, формирование их эксплутационных свойств.

Перлитный класс - сталь, имеющая после нормализации структуру перлит (сорбит или тростит), перлит (сорбит или тростит) + феррит, перлит (сорбит или тростит) + заэвтектоидные карбиды (строительные, конструкционные и инструментальные углеродистые и низколегированные стали).

Низколегированные конструкционные стали перлитного класса. Важ-

ное значение в машиностроении имеют конструкционные низколегирован-

ные стали. Эти стали относятся к сталям перлитного класса, потому что при

охлаждении на воздухе приобретают перлитную структуру.

Совместное воздействие термической обработки и легирования явля-

ется эффективным способом повышения механических характеристик стали.

Содержание углерода является еще одним фактором, влияющим не

только на структуру и свойства стали, но и на принципы ее классификации

по типу термической, химико-термической обработки и назначению.

По количеству углерода низколегированные конструкционные маши-

ностроительные стали делятся:

на цементуемые – 0,1–0,3 % С;

улучшаемые – 0,3–0,5 % С;

рессорно-пружинные – 0,55–0,8 % С;

шарикоподшипниковые – 0,9–1,1 % С.

 

Среди низколегированных сталей высокой жаропрочностью отличаются молибденосодержащие стали, например, хромомолибденовые, хромомолибденованадиевые, хромомолибденовольфрамованадиевые, имеющие достаточно высокие сопротивление ползучести и длительную прочность при температурах до 565–580 °С. Такие стали условно называют теплоустойчивыми.

Химический состав теплоустойчивых сталей перлитного класса приведен в ГОСТ 20072–74, ГОСТ 4543–71, ТУ 14-1-1391–75. Они содержат 0,5–3,3 % Cr; 0,25–1,2 % Мо; 0,15–0,8 % V. Некоторые марки содержат 0,3–0,8 % W либо Nb.

Эти стали применяют для изготовления различных деталей в котлостроении, работающих длительное время (10 000–100 000 ч) при температурах 500–580 °С, в частности, для паропроводных и пароперегревательных труб, а также для проката и поковок, используемых в турбинах и паровых котлах высокого давления.

33. Цементуемые стали. Структура и термообработка. Стали с содержанием углерода 0,1–0,25 % являются низкоуглеродистыми и слабо упрочняются закалкой.

Упрочнение этих сталей достигается химико-термической обработкой (ХТО) – цементацией.

Поверхность заготовки подвергают диффузионному насыщению углеродом в твердой и газообразной среде при Т = 1000–950 °С.

Функциональное назначение низкоуглеродистых сталей – работа в условиях трения (зубчатые колеса, кулачки, валы, пальцы и т. д.).

Для получения заданного комплекса механических свойств после цементации необходима дополнительная термическая обработка деталей: двойная закалка и низкий отпуск, после чего поверхностный слой приобретает структуру отпущенного мартенсита с включениями карбидов и твердость 58–62 HRC (рис. 8.5).

 

Мартенсит отпуска

 


 

После цементации поверхностный слой содержит более 0,8 % С и имеет структуру заэвтектоидных сталей – перлит и вторичный цементит. Под поверхностным слоем изделие имеет эвтектоидную концентрацию углерода и перлитную структуру. По направлению к сердцевине концентрация углерода уменьшается, структура соответствует доэвтектоидной стали и количество перлита уменьшается.  
Рис. 8.5. Цементованный термообработанный слой зубчатого колеса

Сердцевина может приобрести структуру бейнита или троостита, сорбита и твердость 30–42 HRC.

Примерные марки 15Х, 20Х, 15Х2, 25ХГМ, 12ХМ3А

34. Конструкционные улучшаемые стали. Режимы термической обработки. Структура и свойства. Среднеуглеродистые ( 0,3–0,5 % С) низколегированныестали приобретают высокие механические свойства после термического улучшения – закалки при температуре 820–880 °С и высокого отпуска при температуре 550–650 °С.

Структура стали после улучшения – сорбит.

Улучшаемые стали имеют высокий предел текучести σ0,2, малую чувствительность к концентраторам напряжений, высокий предел выносливости σв и достаточный запас вязкости KCU.

Детали машин из этих сталей работают при ударных и циклических нагрузках (валы, штоки, шатуны и т. д.) иногда при пониженных температурах.

Выбор марки стали (степени легирования) определяется размером термически обрабатываемой заготовки и условиями ее работы.

Примерные марки 40Х, 45Х, 35ХГСА, 40ХН, 45ХН. Повышение количества легирующих элементов позволяет повысить прокаливаемость, а значит увеличить поперечное сечение изделий из этих сталей.

35. Рессоро-пружинные стали. Режимы термической обработки. Структура и свойства. Для обеспечения работоспособности силовых упругих элементов применяют стали с повышенным содержанием углерода (0,5–0,7 %).

Недорогие и достаточно технологичные рессорно-пружинные сталишироко используют в авто- и тракторостроении, железнодорожном транспорте и станкостроении.

Эти стали должны иметь высокий предел упругости (текучести), что обеспечивает трооститная структура. Полученная закалкой при 800–850 °С в масле или воде с последующим средним отпуском при 350–520 °С.

Примерные марки для рессор сечением до 20 мм – 55С2, 70С3А, а 60С2ХА, 60С2Н2А для пружин и рессор сечение 50–80 мм.

36. Шарикоподшипниковые стали. Требования, предъявляемые к ним. Термическая обработка. Она относится к специальным сталям, что показывает ее маркировка, но используется для ответственных деталей машин и конструкций и является низколегированной сталью перлитного класса.

Для производства шариков, роликов и колец подшипников применяют недорогие технологичные высокоуглеродистые (0,95–1,1 % С) – шарикоподшипниковые стали.

Работоспособность этих изделий зависит от скорости поверхностного усталостного выкрашивания. Основная защита – высокая твердость и износостойкость рабочей поверхности.

Эти свойства обеспечивает структура мелкоигольчатого мартенсита отпуска с равномерно распределенными избыточными карбидами после закалки в масле и низкого отпуска.

Примерные марки сталей ШХ9, ШХ15, а для деталей, прокаливающихся на большую глубину (свыше 30 мм), применяют сталь ШХ15СГ.

37. Классификация инструментальных сталей. Назначение, требования, предъявляемые к ним. Инструментальными называются углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью (HR 60-65), прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовления различного инструмента. Обычно это заэвтектоидные или ледебуритные стали, структура которых после закалки и низкого отпуска мартенсит – избыточные карбиды.

Для инструмента, требующего повышенной вязкости, например для штампов горячего деформирования, применяют доэвтектоидные стали, которые после закалки на мартенсит подвергают отпуску при более высокой температуре для получения структуры троостита и даже сорбита. Износостойкость и твердость этих сталей ниже, чем заэвтектоидных. Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость (красностойкость), т.е. устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы.

Инструментальные стали предназначены для изготовления следующих основных групп инструмента: режущего, измерительного и штампов. По условиям работы инструмента к таким сталям предъявляют следующие требования: стали для режущего инструмента (резцы, сверла, метчики, фрезы и др.) должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью; стали для измерительного инструмента должны быть твердыми, износостойкими и длительное время сохранять размеры и форму инструмента; стали для штампов (холодного и горячего деформирования) должны иметь высокие механические свойства (твердость, износостойкость, вязкость), сохраняющиеся при повышенных тем­пературах; кроме того, стали для штампов горячего деформирования должны обладать устойчивостью против образования поверхностных трещин при многократном нагреве и охлаждении.

Подразделяют на основные группы:

· Углеродистые инструментальные стали (У8(У8А), У10(У10А), У11(У11А), У12(У12А), У13(У13А))вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость, и поэтому применяются для инструментов небольших размеров. Углеродистые стали можно использовать только для резания материалов с низкой твердостью и с малой скоростью, т.к. их высокая твердость снижается при нагреве выше 190-200 ̊С

· Легированные инструментальные стали (11ХФ(11Х), 13Х, ХВСГ, 9ХС, Х, В2Ф, ХВ4) подобно углеродистым не обладают теплостойкостью и пригодны только для резания относительно мягких материалов с небольшой скоростью. Их используют для инструмента, не подвергаемого в работе нагреву свыше 200-250 ̊С. Легированные стали по сравнению с углеродистыми обладают большой устойчивостью переохлажденного аустенита, а следовательно, большей прокаливаемостью.

· Инструментальные быстрорежущие стали (Р18, Р12, Р6М3, Р6М5(АР6М5)) в отличие от других инструментальных сталей обладают высокой теплостойкостью, т.е. способностью сохранять мартенситную структуру и соответственно высокую твердость, прочность и износостойкость при повышенных температурах, возникающих в режущей кромке при резании с большой скоростью. Эти стали сохраняют мартенситную структуру при нагреве до 600-620 ̊С, поэтому применение их позволяет значительно повысить скорость резания и стойкость инструментов.

 




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2015-04-23; Просмотров: 5331; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.064 сек.