Какая структура обеспечивает наибольшую твердость стали?

Микроструктура и твердость сталей с различным

содержанием углерода

техническое железо…
доэвтектоидная сталь, С 0,8 % С = … %

(Около каждой зарисовки указать стрелками структурные составляющие, дать им определение, указать цвет, форму и расположения).

Значение твердости образцов стали с различным содержанием углерода занести в таблицу 4.1 и построить график зависимости твердости НRB от содержания углерода С, % (рисунок 4.4).

Таблица 4.1 — Твердость образцов

стали с различным содержанием

№ обр. Содержание углерода С, % Твердость НRB
ср.

Рисунок 4.4 – График

зависимости твердости НRB

от содержания углерода С

Определение марки стали по структуре

Образец № Площадь: перлита Fп = … феррита Fф = … Содержание углерода: С = … Марка стали … Структурная группа … Назначение стали …
Образец № Площадь: перлита Fп = … феррита Fф = … Содержание углерода: С = … Марка стали … Структурная группа … Назначение стали …

4.4.3 Формированиеструктурывсталях

Изобразить левый нижний (стальной) угол диаграммы состояния «железо – углерод» (рисунок 4.5). Провести ординаты сплавов (см. варианты заданий в таблице В.1), указать критические точки, описать, как формируется структура стали при охлаждении (приложение В).

Рисунок 4.5 – Формирование структуры в сталях

Анализ полученных результатов и выводы

Указать, как и почему углерод (см. п. 4.4.1) влияет на структуру и твердость стали.

4.5 Контрольные вопросы

1. Какие фазы в твердом состоянии образуются в железоуглеродистых сплавах? Дайте их определение.

2. Какие структурные составляющие возникают в сталях? Дайте их определение, укажите температурные и концентрационные условия их образования.

3. На какие группы по структуре делятся углеродистые стали? Как влияет углерод на структуру и свойства сталей?

4. Определите содержание углерода и марку стали по известному отношению между перлитом и ферритом, указанному в таблице:

Fп : Fф 1:4 1:1 3:5 7:1 7:3 6:5
содержание углерода, %
марка стали

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Цель работы: изучить микроструктуру чугунов различных видов.

Теоретические сведения

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода. Углерод в чугунах может находиться в связанном состоянии (в виде цементита) или в свободном (в виде графита). Количество графита и образующаяся металлическая основа чугунов зависит от графитизации, а форма графитовых включений зависит от способа производства. Различают чугуны по металлической основе и форме графитовых включений.

Белый чугун. В белом чугуне весь углерод присутствует в виде цементита, поэтому он хрупок, твёрд и не применяется в качестве конструкционного материала для изготовления деталей машин.

Структура белого чугуна зависит от содержания углерода и соответствует диаграмме состояния «железо – цементит» (рисунок 5.1). По структуре белые чугуны делятся на три группы:

а) доэвтектические чугуны содержат углерода от 2 (точка Е диаграммы состояния) до 4,3 % (точка С), имеют структуру: перлит, цементит вторичный и ледебурит.

Перлит (ферритно-цементитная смесь) содержит

0,8 % С, является продуктом эвтектоидного распада аустенита (А) по линии PSK. Зёрна аустенита образовались при кристаллизации жидкости на ли-нии BC.

Цементит (вторичный) выделяется из аустенита в интервале температур 1147 – 727 о С (линии ECF – PSK) вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените от 2 % при 1147 о С до 0,8 % при 727 о С.

Ледебурит – продукт эвтектической кристаллизации жидкости при 1147 о С, когда жидкость переходит в аустенитно-цементитную смесь.

В интервале температур 1147 – 727 о С ледебурит представляет собой смесь аустенита и цементита. При температуре ниже 727 о С (линия PSK) ледебурит состоит из смеси перлита и цементита, так как на линии PSK аустенит превращается в перлит. Схематично фазовые и структурные превращения в белых чугунах представлены на рисун-
ке 5.1, б, а изображение их структур – на рисунке 5.2;

а – общий вид диаграммы состояния «железо – цементит»; б – кривая охлаждения сплава I. Рисунок 5.1 – Диаграмма состояния «железо – углерод»

б) эвтектический чугун содержит 4,3 % углерода, структура – ледебурит. Других структурных составляющих нет, так как вся жидкость в этом чугуне имеет эвтектический состав (сплав II – рисунок 5.1) и кристаллизуется с образованием ледебурита;

в) заэвтектические чугуны содержат от 4,3 до 6,67 % углерода, структура – цементит первичный и ледебурит. Цементит первичный выделяется из жидкости в интервале температур Т5®Т6 (рисунок 5.1 – сплав III) в виде светлых пластин прямоугольной формы (ри-
сунок 5.2).

Ледебурит, как и в предыдущих сплавах, образуется при кристаллизации жидкости на линии ECF (точка 6 для сплава III).

а – доэвтектический белый чугун; б – эвтектический белый чугун;

в – заэвтектический белый чугун;

л – ледебурит; п – перлит; ц – цементит.

Рисунок 5.2 – Микроструктура ( 240) белого чугуна

и схема её зарисовки (справа)

Серый чугун (2,5 – 3,8 % С). В этих чугунах углерод весь или частично присутствует в виде графита, который имеет пластинчатую форму (рисунок 5.3, а). Форма графитовых включений хорошо видна на полированной нетравленой поверхности шлифа. Графит получается при распаде цементита (первичного, вторичного или эвтектоидного). Образованию графита способствуют медленное охлаждение жидкого чугуна и кремний, присутствующий в чугуне (1,5 – 3,0 %). Металлическая основа серого чугуна зависит от степени графитизации.

а – пластинчатая; б – шаровидная; в – хлопьевидная.

Рисунок 5.3 – Форма включений графита в чугунах – микрофотографии

и схемы зарисовки

По металлической основе серый чугун бывает следующих групп:

а) ферритный – весь углерод присутствует в виде графита. Структура – феррит и графит (рисунок 5.4, а);

б) перлитный; из общего количества углерода около 0,8 % остаётся в связанном состоянии, а остальной графитизирован. Получается такой чугун в том случае, если графитизации подвергается только первичный и вторичный цементит, а цементит перлита не распадается. Структура – перлит и включения графита (рисунок 5.4, в);

в) ферритноперлитный. Из общего количества углерода менее 0,8 % находится в связанном состоянии в виде цементита, а остальной – в виде графита (рисунок 5.4, б).

Получается такой чугун вследствие распада всего первичного и вторичного цементита и частично распада эвтектоидного цементита, входящего в перлит. Структура – феррит, перлит и графит. Количество связанного углерода (Ссвяз) можно определить по отношению площадей, приходящихся на ферритные и перлитные зёрна.

,

где FП, Fф – площади перлитных и ферритных зёрен соответственно в % или частях к общей площади шлифа.

Высокопрочный чугун (2,5 – 3,5 % С) отличается от обычного серого чугуна формой графитных включений. Получают его путём модифицирования серого чугуна магнием. Магний способствует образованию графита шаровидной (глобулярной) формы (рисунок 5.3, б), что повышает механическую прочность чугуна. По металлической основе высокопрочный чугун может быть, как и серый, ферритным (ВЧ40-10), ферритно-перлитным (ВЧ45-5) и перлитным (ВЧ60-2) (рисунок 5.4, жи).

Ковкий чугун (2,5 – 3 % С) отличается хлопьевидной формой графитовых включений (см. рисунок 5.3, в). Такой чугун получают путём специальной термической обработки (графитизирующего отжига) отливок из белого чугуна. Отжиг проводят при 950 о С (первая стадия) и 720 о С (вторая стадия). В процессе выдержек цементит разлагается с образованием графита хлопьевидной формы (графит отжига). По металлической основе ковкий чугун также может быть ферритным (КЧ 35-10), перлитным (КЧ 60-3) и ферритно-перлитным (КЧ40-5) (рисунок 5.4, ге).

а, б, в – серый чугун; г, д, е – ковкий чугун; ж, з, и – высокопрочный чугун.

Рисунок 5.4 – Микроструктуры различных чугунов

и схемы их зарисовки

Итак, по форме графитовых включений чугун делят на серый, ковкий и высокопрочный. Форма графитовых включений зависит от способа производства. По металлической основе чугуны делят на ферритные, перлитные, ферритно-перлитные. Металлическая основа зависит от степени графитизации чугуна.

Материалы и принадлежности

· Коллекция микрошлифов различных видов чугунов и контрольные образцы.

· Фотографии микроструктур и схемы их зарисовок.

Порядок выполнения работы

5.3.1 Просмотреть коллекцию микрошлифов различных марок чугунов, сравнить структуру с прилагаемыми микрофотографиями. Обратить внимание на цвет, форму, размер отдельных структурных составляющих.

5.3.2 В кругах диаметром 35 – 40 мм или квадратах со стороною 30 – 35 мм зарисовать микроструктуры различных видов чугунов (отдельные структурные составляющие указать стрелками, а справа от микроструктуры дать описание видимого в микроскоп изображения). Указать, какую форму включений графита имеет серый, высокопрочный и ковкий чугун, и как её получить. Указать, какую металлическую основу могут иметь чугуны (серые, ковкие и высокопрочные).

5.3.3 Изучить структуру двух контрольных образцов. По структуре определить вид чугуна (белый, серый, и т.д.) и его металлическую основу.

Виды и структура сталей

  • Новости компании
  • Новости машиностроения
  • Новости судостроения
  • Новости военно-промышленного комплекса
  • Новости космической промышленности
  • Новости авиастроения
  • Новости строительного сектора
  • Интересные статьи
  • Технические статьи
  • Видео по сварке
  • Видео по ковке

Несомненно, сталь является одним из самых важных материалов в истории человечества, который сегодня применяется повсеместно, во многих, если не всех, отраслях промышленности. Тем, кому хоть раз было интересно, и кто «копнул глубже», знают, что сталь бывает различных видов.

Сама по себе сталь – это соединение из железа (Fe) и углерода (С), а также добавок в виде других элементов, которые растворяются в железе. Чистое железо имеет достаточно малую прочность, поэтому с помощью углерода, эта прочность повышается. Кроме того, углерод улучшает и некоторые другие свойства стали: твёрдость и упругость; устойчивость и выносливость к износам или химическому воздействию.

Читайте также  Как запаять наушники без паяльника?

Содержание железа в составе стали должно быть не меньше 45%, а углерода – не выше 2,14%. Но, на практике, количество углерода несколько иное, и в зависимости от этого, сталь может быть:

  • низкоуглеродистой (содержание «С» 0,1-0,13%);
  • углеродистой (содержание углерода 0,14-0,5%);
  • высокоуглеродистой (от 0,6%).

Углерод же считается неметаллическим элементом, плотность которого составляет 2,22 г/см3, а температура плавления 3550 °С. Однако, в природе, в чистом виде углерода не существует, и поэтому, его можно встретить в 2-х полиморфных видах, в виде графита и алмаза. В железе, углерод выражен в виде графита (например, в серых чугунах) или в виде цементита.

Каждый вид стали классифицируется определенной структурой. В свою очередь, за структуру отвечает количество содержащегося в стали углерода, а также структурные превращения, которые протекают в материале при нагревании до определенной температуры с последующим охлаждением. На рисунке ниже, вы можете пронаблюдать диаграмму зависимости структуры стали от количества углерода и температуры.

Итак, давайте рассмотрим каждый структурный вид стали в отдельности.

Начнем с феррита. Это достаточно твердый раствор углерода в железе. В условиях комнатной температуры, феррит растворяется максимум, на 0,006% углерода. Поэтому, если количество углерода в стали будет более 0,006%, то в стали будут присутствовать и другие структурные элементы. Стоит отметить, что феррит не очень прочен и твёрд, однако сталь с его содержанием становится пластичной, а также приобретает прекрасные магнитные свойства.

Еще одно структурное соединение стали – цементит. Это химическое соединение из железа и углерода, которое выражается формулой Fe3C. В цементите содержится до 6,67% углерода, и, что самое удивительное, его количество неизменно при изменении температуры, вплоть до точки температуры плавления. По своим свойствам, цементит считается наиболее твердой структурной составляющей стали, однако, несмотря на высокую прочность, цементит достаточно хрупкий.

Перлит – еще одна структурная составляющая стали. Перлит является механической смесью феррита и цементита, которая после травления приобретает перламутровый цвет. Перлит также может быть пластичным или зернистым, а его твердость гораздо выше ферритовой структуры, но меньше, чем у цементита.

Аустенит является твердым раствором углерода в железе типа γ (особенный тип железа, имеющий гранецентрированную кристаллическую решетку). При температуре в 1130°С углерод растворяется в железе, максимум, на 2%. По своим свойствам аустенит достаточно прочный, но имеет невысокую твердость. Вместо этого аустенит является пластичным, имеет прекрасную стойкость против коррозии и коррозийных процессов, а также обладает высоким электрическим сопротивлением. Более того, аустенит немагнитен, что придает ему особых свойств.

Сплав железа, в котором содержание углерода превышает 2,14% (и до 6,67% включительно), в процессе кристаллизации которого образуется эвтектика, называют чугуном. Для повышения литейных свойств чугуна, в его структуру включают легкоплавкий ледебурит. К чугунам относится цементит, который отличается высокой хрупкостью. Такой чугун также получил название белого чугуна, за серебристо-белый излом.

Советуем подписаться на наши страницы в социальных сетях: Facebook | Вконтакте | Twitter | Google+ | Одноклассники

Свойства сталей

Влияние углерода на структуру и свойства сталей

Механические свойства углеродистой стали зависят главным образом от содержания углерода. С ростом содержания углерода в стали увеличивается количество цементита и соответственно уменьшается количество феррита, т.е. повышаются прочность и твердость и уменьшается пластичность. Прочность повышается только до 1% С, а при более высоком содержании углерода она начинает уменьшаться. Происходит это потому, что образующаяся по границам зерен в заэвтектоидных сталях сетка вторичного цементита снижает прочность стали.

С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита – очень твердой и хрупкой фазы. Твердость цементита превышает твердость феррита примерно в 10 раз (800HB и 80HB соответственно). Поэтому прочность и твердость стали растут с повышением содержания углерода, а пластичность и вязкость, наоборот, снижаются .

При повышении содержания углерода до 0,8% увеличивается доля перлита в структуре (от 0 до 100%), поэтому растут и твердость, и прочность. Но при дальнейшем росте содержания углерода появляется вторичный цементит по границам перлитных зерен. Твердость при этом почти не увеличивается, а прочность снижается из-за повышенной хрупкости цементитной сетки.

C увеличением содержания углерода в стали изменяются и физические свойства: снижается плотность, повышаются удельное электросопротивление и коэрцитивная сила, понижаются теплопроводность и магнитная проницаемость.

Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к повышению порога хладноломкости: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20є. Это значит, что уже сталь с 0,4%С переходит в хрупкое состояние примерно при 0ºС, т. е. менее надежна в эксплуатации.

Углерод в железоуглеродистом сплаве находится главным образом в связанном состоянии в виде цементита. В свободном состоянии в виде графита он содержится в чугунах. С увеличением содержания углерода возрастает твердость, прочность и уменьшается пластичность.

Влияет содержание углерода и на все технологические свойства стали: чем больше в стали углерода, тем она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется (особенно в холодном состоянии) и хуже сваривается.

Изменение структуры стали с увеличением содержания углерода

“Пройдемся” вдоль оси содержания углерода на участке диаграммы состояния системы железо-углерод, которая соответствует сталям (рисунок 1): от 0 до 2 % углерода.


Рисунок 1 – Двойная диаграмма состояния железо-углерод

Феррит

Структура стали, содержащей от 0 до 0,02 % углерода, включает феррит и третичный цементит (рисунок 2).


Рисунок 2 – Микроструктура стали: феррит с третичным цементитом по граница зерен

Феррит и перлит

Дальнейшее увеличение содержания углерода приводит к появлению нового структурного компонента – эвтектоидного феррита и цементита (перлита). Сначала перлит появляется как отдельный включения между ферритными зернами, а затем, при содержании углерода 0,8 %, занимает весь объем. Перлит представляет собой двухфазную смесь, которая обычно имеет пластинчатую структуру (рисунок 3).


Рисунок 3 – Микроструктура перлита в стали

Перлит и цементит

Когда содержание углерода поднимается выше 0,8 %, наряду с перлитом образуется вторичный цементит. Вторичный цементит выделяется в форме игл (рисунок 4).


Рисунок 4 – Микроструктура стали: вторичный цементит (иглы) и перлит

Количество цементита возрастает с увеличением содержания углерода. При содержании углерода 2 % цементит занимает 18 % поля зрения микроскопа. При содержании углерода более 2 % формируется эвтектическая смесь.

Применение качественной конструкционной углеродистой стали

Область применения достаточно широка. Основными потребителями сплавов являются машиностроительная и строительная отрасли. Одним из достоинств считается хорошая свариваемость.

Как следует из названия, «конструкционная» — значит использующаяся для строительных металлоконструкций. Другое название – арматурные стали.

Рассматривая основные марки качественных сталей, использующиеся промышленными предприятиями можно разделить по назначению.

  1. Качественные низкоуглеродистые стали 05-10. Основное их назначение изготовление ответственных и качественных конструкций с помощью сварки (повышение количества углерода способствует понижению свариваемости). Небольшое количество углерода после сварочных работ не провоцирует образование трещин как горячем, так и в холодном состоянии.
  1. Качественные низкоуглеродистые стали 12-20. Основное их назначение изготовление элементов конструкций и деталей, которые не ответственные, малонагруженные, в последствии цементируемые. Обрабатываются резанием, холодной штамповкой, сложной вытяжкой. Требования к поверхности: износостойкость, высокая твердость при мягкой сердцевине. Изготавливаются машиностроительные элементы (вал, ось, болт, муфта, вилка, рычаг, фланцы и прочие), а также элементов котлового оборудования, работающего при высоком давлении и температурах от -40°С до 450°С (трубопровод, тройник, соединительный фланец и прочие).
  1. Качественные среднеуглеродистые стали 25-35. Детали, изготовленные из данного материала, работают при средних нагрузках и с невысокими напряжениями. После химико-термического воздействия обладают высокой прочностью поверхностного слоя, износостойкостью, но с незначительной прочностью сердцевины детали (гайка, винт, собачка, крюк, кулачок, звездочка и прочие).
  2. Качественные среднеуглеродистые стали 40-45. После термической обработки изделия из данного материала хорошо переносят средние нагрузки (вал, шестерня, шатун и прочие). Для получения заготовок используется метод горячей объемной штамповки. Подвергаются всем способам термической обработки. У всех среднеуглеродистых сталей после закалки и следующего за ним высокого отпуска внутренней структурой становится отпускной сорбит. В связи с чем повышается вязкость с пластичностью, а это низкая чувствительность у концентраторов напряженности. При увеличении диаметра изделия снижается его прокаливаемость.

  1. Качественные среднеуглеродистые стали 50-55. Детали из этих сталей являются высоконагруженными элементами механизмов и агрегатов (муфта, шестерня, кольцо пружинное и прочие).
  2. Качественные высокоуглеродистые стали 60-80 (Г). Изготавливаются детали, подвергающиеся постоянным напряжениям сжатия, которые эксплуатируются в условиях трения (эксцентрик, рессора, пружина и прочие), а также работающие при больших нагрузках динамических и статических (торсион, крестовина).
  1. Качественные котельные стали 12К-22К. Применение нашли при изготовлении деталей, работа котрых сопряжена с повышенными температурами и высоким давлением. Для улучшения свариваемости в состав вводится титан, а раскисление производится за счет алюминия. Из нее изготавливают сосуды и котлы, работающие с турбинами, камерами сгорания на суднах и паровых агрегатах.
  1. Сталь автоматная. Широко применяется при промышленном производстве крепежных изделий для автомобилей и узлов, работающих при статических нагрузках (болт, гайка, шпилька).

Классификация сталей

Стали классифицируют по назначению для дальнейшего использования, химическому составу, качеству, структуре.

По назначению стали принято делить на конструкционные, коррозионно стойкие (нержавеющие), инструментальные, жаропрочные, криогенные.

  • Легированная — сталь содержащая специально вводимые, в определённых количествах, элементы, которые обеспечивают требуемые физические или механические свойства. Эти элементы называются легирующими. Как правило, легирование повышает прочность, коррозийную стойкость стали, понижают хрупкость. Легированную сталь по степени легирования разделяют на: низколегированную (легирующих элементов до 2,5 %); среднелегированную (от 2,5 до 10 %); высоколегированную (от 10 до 50 %).
  • Конструкционная — сталь применяемая при изготовлении различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве, обладающая определёнными механическими, физическими и химическими свойствами.
  • Нержавеющая — легированная сталь, устойчивая к коррозии в атмосфере и агрессивных средах.
  • Инструментальная углеродистая — сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Она отличается высокой твёрдостью и прочностью и применяется для изготовления инструмента.
  • Жаропрочная — это вид стали, который подлежит эксплуатации при высоких температурах (от 30% от температуры плавления).
Читайте также  Какие инструменты используются для рубки металла?

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали по уровню содержания углерода, в свою очередь, делятся на: низкоуглеродистые (процент содержания углерода до 0,25%), среднеуглеродистые (0,3–0,55%) и высокоуглеродистые (0,6–2 %). Углерод придаёт сплавам из железа дополнительную прочность и твёрдость, но, при этом, понижая их пластичность и вязкость.

Углеродистая сталь обыкновенного качества

Углеродистая сталь обыкновенного качества содержит углерод в пределах 0,06–0,49%. К этой группе относятся следующие марки стали: Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, Ст0. По химическому составу данный тип стали должен соответствовать ГОСТ 380-94, а производимый из нее металлопрокат должен соответствовать общим техническими условиями ГОСТ 535-2005.

Чаще всего для изготовления металлопродукции используется сталь марки Ст3сп/пс1-5: из нее изготавливается сортовой, фасонный, листовой и рулонный прокат, а также горячекатаные трубы.

Качественная углеродистая сталь

Низкоуглеродистая качественная конструкционная сталь (марки 08, 08кп, 08пс) — используется при изготовлении листового проката. Это мягкая сталь, и она легко обрабатывается штамповкой, давлением, профилированием.

Качественная конструкционная сталь (марки 10, 15, 20, 25) — используется при изготовлении стальных труб, в машиностроении. Она обладает более высокой прочностью и коррозеустойчивостью по сравнению с маркой Ст3.

Твердая качественная сталь (марки 30, 35, 40, 45) — используется в машиностроении при изготовлении сильно нагруженных деталей машин. Эти марки стали обладают высокой износостойкостью и еще более устойчивы к коррозии.

Для улучшения характеристик сталей применяют ее легирование. Цели легирования — это повышение: прочности, устойчивости против коррозии, термостойкость, жаропрочность и т.д.

Легирование — это процесс добавление в состав материалов примесей, вводимых для изменения свойств основного материала.

Легированные стали по уровню содержания легирующих элементов делятся на низколегированные (до 4%), среднелегированные (до 11%) и высоколегированные (более 11%).

Стали, в зависимости от технологии их производства, могут содержать разное количество примесей.

Уровень содержания примесей определят (классифицирует) качество стали: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре стали разделяются на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную и перлитную и двухфазную и многофазную.

Производство стали заключается в переработке чугуна, при котором в чугуне уменьшается концентрация углерода и других ненужных примесей.

Физические и химические свойства стали определяется ее составом и структурой, которые зависят от присутствия и процентного содержания следующих основных составляющих:

Закалка сталей

Закалка — это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критической и последующем быстром охлаждении, со скоростью подавляющей распад аустенита на феррито-цементитную смесь и обеспечивающей структуру мартенсита.

Содержание

Мартенсит и мартенситное превращение в сталях

Мартенсит — это пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе (α-Fe). Что такое аустенит, цементит, феррит и перлит читаем здесь. При нагреве эвтектоидной стали (0,8 % углерода) выше точки А1, исходная структура перлит превратится в аустенит. При этом в аустените растворится весь углерод, который имеется в стали, т. е. 0,8 %. Быстрое охлаждение со сверхкритической скоростью (см. рисунок ниже), например в воде (600 °С/сек), препятствует диффузии углерода из аустенита, но кристаллическая ГЦК решетка аустенита перестроится в тетрагональную решетку мартенсита. Данный процесс называется мартенситным превращением. Он характеризуется сдвиговым характером перестройки кристаллической решетки при такой скорости охлаждения, при которой диффузионные процессы становятся невозможны. Продуктом мартенситного превращения является мартенсит с искаженной тетрагональной решеткой. Степень тетрагональности зависит от содержания углерода в стали: чем его больше, тем больше степень тетрагональности. Мартенсит — это твердая и хрупкая структура стали. Находится в виде пластин, под микроскопом выглядит, как иглы.

Температура закалки для большинства сталей определяется положением критических точек А1 и А3. На практике температуру закалки сталей определяют при помощи марочников сталей. Как выбрать температуру закалки стали с учетом точек Ас1 и Ас3 читаем по ссылке.

Микроструктура стали после закалки

Для большинства сталей после закалки характерна структура мартенсита и остаточного аустенита, причем количество последнего зависит от содержания углерода и качественного и количественного содержания легирующих элементов. Для конструкционных сталей среднего легирования количество остаточного аустенита может быть в пределах 3-5%. В инструментальных сталях это количество может достигать 20-30%.

Вообще, структура стали после закалки определяется конечными требованиями к механическим свойствам изделия. Наряду с мартенситом, после закалки в структуре может присутствовать феррит или цементит (в случае неполной закалки). При изотермической закалке стали ее структура может состоять из бейнита. Структура, конечные свойства и способы закалки стали рассмотрены ниже.

Частичная закалка стали

Частичной называется закалка, при которой скорости охлаждения не хватает для образования мартенсита и она оказывается ниже критической. Такая скорость охлаждения обозначена синей линией на рисунке. При частичной закалке как-бы происходит задевание «носа» С-кривой стали. При этом в структуре стали наряду с мартенситом будет присутствовать троостит в виде черных островковых включений.

Микроструктура стали с частичной закалкой выглядит примерно следующим образом

Частичная закалка является браком, который устраняется полной перекристаллизацией стали, например при нормализации или при повторном нагреве под закалку.

Неполная закалка сталей

Закалка от температур, лежащих в пределах между А1 и А3 (неполная закалка), сохраняет в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Это понятно, так как твердость феррита составляет 80НВ, а твердость мартенсита зависит от содержания углерода и может составлять более 60HRC. Поэтому данные стали обычно нагревают до температур на 30–50 °С выше А3 (полная закалка). В теории, неполная закалка сталей не допустима и является браком. На практике, в ряде случаев для избежания закалочных трещин, неполная закалка может использоваться. Очень часто это касается закалки токами высокой частоты. При такой закалке необходимо учитывать ее целесообразность: тип производства, годовую программу, тип ответственности изделия, экономическое обоснование. Для заэвтектоидных сталей закалка от температур выше А1, но ниже Асm дает в структуре избыточный цементит, что повышает твердость и износоустойчивость стали. Нагрев выше температуры Аcm ведет к снижению твердости из-за растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита. При этом происходит рост зерна аустенита, что также негативно сказывается на механических характеристиках стали.

Таким образом, оптимальной закалкой для доэвтектоидных сталей является закалка от температуры на 30–50 °С выше А3, а для заэвтектоидных – на 30–50 °С выше А1.

Скорость охлаждения также влияет на результат закалки. Оптимальной охлаждающей является среда, которая быстро охлаждает деталь в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита (в интервале носа с-кривой) и замедленно в интервале температур мартенситного превращения.

Стадии охлаждения при закалке

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода различной температуры, полимерные растворы, растворы спиртов, масло, расплавленные соли. При закалке в этих средах различают несколько стадий охлаждения:

— пленочное охлаждение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка»;

— пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении этой паровой рубашки;

Более подробно про стадии охлаждения при закалке можно прочитать в статье «Характеристики закалочных масел»

Кроме жидких закалочных сред используется охлаждение в потоке газа разного давления. Это может быть азот (N2), гелий (Не) и даже воздух. Такие закалочные среды часто используются при вакуумной термообработке. Здесь нужно учитывать факт возможности получения мартенситной структуры — закаливаемость стали в определенной среде, т. е. химический состав стали от которого зависит положение с-кривой.

Факторы, влияющие на положение с-кривых:

— Углерод. Увеличение содержания углерода до 0,8% увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита, соответственно с-кривая сдвигается вправо. При увеличении содержания углерода более 0,8%, с-кривая сдвигается влево;

— Легирующие элементы. Все легирующие элементы в разной степени увеличивают устойчивость аустенита. Это не касается кобальта, он уменьшает устойчивость переохлажденного аустенита;

— Размер зерна и его гомогенность. Чем больше зерно и чем оно однороднее структура, тем выше устойчивость аустенита;

— Увеличение степени искажения кристаллической решетки снижает устойчивость переохлажденного аустенита.

Температура влияет на положение с-кривых через все указанные факторы.

Способы закалки сталей

На практике применяются различные способы охлаждения в зависимости от размеров деталей, их химического состава и требуемой структуры (схема ниже).

Схема: Скорости охлаждения при разных способах закалки сталей

Непрерывная закалка стали

Непрерывная закалка (1) – способ охлаждения деталей в одной среде. Деталь после нагрева помещают в закалочную среду и оставляют в ней до полного охлаждения. Данная технология самая распространенная, широко применяется в условиях массового производства. Подходит практически для всех типов конструкционных сталей.

Закалка в двух средах

Закалка в двух средах (скорость 2 на рисунке) осуществляется в разных закалочных средах, с разными температурами . Сначала деталь охлаждают в интервале температур например 890–400 °С например в воде, а потом переносят в другую охлаждающую среду – масло. При этом мартенситное превращение будет происходить уже в масляной среде, что приведет к уменьшению поводок и короблений стали. Такой способ закалки используют при термообработке штампового инструмента. На практике часто используют противоположный технологический прием — сначала детали охлаждают в масле, а затем в воде. При этом мартенситное превращение происходит в масле, а в воду детали перемещают для более быстрого остывания. Таким образом экономится время на осуществление технологии закалки.

Читайте также  Как правильно соединить провода между собой медь?

Ступенчатая закалка

При ступенчатой закалке (скорость 3) изделие охлаждают в закалочной среде, имеющей температуру более высокую, чем температура мартенситного превращения. Таким образом получается некая изотермическая выдержка перед началом превращения аустенита в мартенсит. Это обеспечивает равномерное распределение температуры по всему сечению детали. Затем следует окончательное охлаждение, во время которого и происходит превращение мартенситное превращение. Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями. Изотермическую выдержку можно сделать чуть ниже температуры Мн, уже после начала мартенситного превращения (скорость 6). Такой способ более затруднителен с технологической точки зрения.

Изотермическая закалка сталей

Изотермическая закалка (скорость 4) делается для получения бейнитной структуры стали. Данная структура характеризуется отличным сочетание прочностных и пластических свойств. При изотермической закалке детали охлаждают в ванне с расплавами солей, которые имеют температуру на 50–150 °С выше мартенситной точки Мн, выдерживают при этой температуре до конца превращения аустенита в бейнит, а затем охлаждают на воздухе.

При закалке на бейнит возможно получение двух разных структур: верхнего и нижнего бейнита. Верхний бейнит имеет перистое строение. Он образуется в интервале 500-350°С и состоит из частиц феррита в форме реек толщиной

Материалы с высокой твердостью поверхности

Материалы с высокой твердостью поверхности

  • Материал высокой твердости Высокая поверхностная твердость является необходимым условием для обеспечения износостойкости большинства типов wear. In абразивный, окислительный и усталостный износ, наиболее износостойкие стали и сплавы с наибольшей начальной поверхностной твердостью являются наиболее износостойкими.

При работе в условиях повышенного давления и ударного воздействия аустенитные стали с наименьшей начальной твердостью могут формировать высокую поверхностную твердость в условиях эксплуатации за счет интенсивного деформационного упрочнения (закалки), приводящего к наибольшему КПД. Износостойкий материал. Износостойкость чистого металла при абразивном изнашивании(рис. 10.4) пропорциональна его твердости: e = L ’HB (e-относительная износостойкость и определяется в сравнении с эталонным образцом, не наблюдаться.

b-коэффициент пропорциональности).в сплавах эта зависимость может Людмила Фирмаль

Для абразивного износа основным процессом является многократная деформация поверхности Рис. 10.4.Относительная износостойкость Твердость различного е-металла Частицы и микро-вырезывание на ем. Степень развития этих процессов зависит от соотношения давления и твердости материала и абразивных частиц. Благодаря большой твердости последних, материал с самой высокой карбидной фазой и высокой прочностью матрицы, удерживающей их, имеет наибольший износ resistance. In таких конструкций существует большая группа из стали и сплавов. Карбидные сплавы применяются в самых сложных условиях эксплуатации в виде литейных и поверхностных материалов.

Используя эти стержни сплава, нагретые ацетиленовым пламенем или электрической дугой, они появляются на поверхности детали. В промышленности используется химический состав отливок и поверхностных материалов более 100 complexes. It представляет собой сплав, содержащий высокое содержание углерода (до 4%) и Карбидообразующих элементов (или, W, Ti).В их структуре может содержаться до 50% специальных карбидов, увеличение их количества сопровождается повышением износостойкости. Структура фазы матрицы регулируется введением марганца или nickel. It может быть мартенсит, аустенит-мартенсит и аустенит.

Для деталей, работающих без ударных нагрузок, используются мартенситные сплавы. К ним относятся сплавы типа U25X38, U30X23G2S2T (на рисунке после буквы U указано содержание углерода в 10 процентах за 1 минуту).Работа при больших ударных нагрузках (зубья ковша экскаватора, скальные сваи и др.), дегаль изготовлен из высокомарганецсодержащих сплавов, включая аустенитный мартенсит (U37X7G7S) или аустенитный (U11G13, U30G34) матрик. Детали машин, работающих в условиях умеренного износа, из спеченных сплавов, для конструкций Его тур состоит из специальных карбидов (WC, TiC, TaC), связанных с кобальтом, и высокоуглеродистых сталей (структура: мартенсит+карбиды) типа X12, X12M, P18, P6M5 и др.

Эти материалы полезны. Для более сильного износа применяют низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали с различными видами поверхностного упрочнения и чугун conditions. In в частности, абразивный износ связан с другими видами износа (например, окислительный износ) деталей, работающих в условиях граничной смазки (например, гильзы цилиндров, коленчатые валы, поршневые кольца и т. д.). Для поддержания работоспособности узла трения материал детали должен быть достаточно устойчив к износу частицами, являющимися продуктами износа,

а также частицами, входящими в смазку извне. Людмила Фирмаль

Эти требования удовлетворяются цементацией (см. таблицы 83 и 8.4), азотированием или низкоуглеродистой и среднеуглеродистой сталью, закаленной поверхностным упрочнением с нагревом высокой частоты alloys. To повышая износостойкость, упрочненные поверхностные слои этих сталей раскладывают в следующем порядке: закаленные, цементированные, азотированные. Материал устойчив к усталостному износу. Эти материалы предназначены для массового производства таких изделий, как подшипники качения и шестерни. Периодическое контактное сжимающее напряжение возникает из-за усталостного расслоения рабочей поверхности. Они создают мягкое напряженное состояние в поверхностном слое и способствуют пластической деформации поверхности!

О развитии слоев детализации и результирующем процессе fatigue. In в связи с этим высокая контактная прочность может быть достигнута только при высокой поверхностной твердости. Высокая твердость также необходима Износ контактной поверхности затруднен при скольжении контактной поверхности. Подшипниковая сталь. Подшипники качения обычно работают при низких динамических нагрузках, поэтому они изготавливаются из относительно хрупкой высокоуглеродистой стали путем закалки и низкого отпуска.

Шариков, роликов и колец подшипников производства используется примерно 1% с (ГОСТ 801-78), включая дешевые технологии хромовой стали ШХ4,ШХ15,ШХ15ГС и ШХ20ГС это. В обозначении марок буква Ш означает шарикоподшипниковой стали. Х-наличие хрома. Цифра представляет собой процентную массовую долю (0,4; 1,5; 2,0). SG-легирование кремния (до 0,85%) и марганца (до 1,7%). Чем выше концентрация хрома, тем лучше прокаливаемость стали. Стальшх15 предназначена для изготовления несущих деталей с площадью поперечного сечения (10-20 мм).Еще легированные стали Шх15сг и Шх20сг-для деталей, прокаленных вглубь (более 30 мм).

Сталь поставляется после сфероидизирующего отжига в мелкозернистых перлитных структурах (HB 1790 2170), повышая требования к качеству metal. In сталь платная, неоднородность карбидов и загрязнение неметаллическими включениями цементируются. Это связано с тем, что когда они выходят на рабочую поверхность, то действуют как концентратор напряжений, что способствует более быстрому развитию усталостного шелушения. При изготовлении быстроходных подшипников сталь используют после добавления электрошлакового переплава (II-подобный характер Ш, например, II1X15-III) к сорту стали, который характеризуется наибольшей структурной однородностью.

Такая сталь также необходима для изготовления высокоточных измерительных подшипников, детали которых требуют тщательной полировки для минимизации коэффициента трения. Это возможно только с высокочистыми металлами, которые содержатся в металлических включениях. Подшипник компоненты проходят типичный термообработки на за-эвтектоидная сталь.820850 ° C с неполным отверждением от 150 170″C. In низкий темперировать. После упрочнения в стальной конструкции сохраняется остаточный аустенит(8-15%), деформация которого может привести к изменению размеров подшипника parts.

To стабилизируя их, прецизионные подшипники обрабатываются при низкой температуре −70 −80°С. готовая обработанная подшипниковая сталь имеет мартенситную структуру, включающую мелкие карбиды и высокую твердость (HRC 60-64). Сталь ШХ4 имеет ограниченную закалочную способность и предназначена для роликовых подшипников в железнодорожном транспорте. При тушении он обрабатывается индукционным нагревом и охлаждением водой. Кольца этого изделия толщиной 14 мм затвердевают только в слое 2-3 мм от поверхности и служат под динамическими нагрузками, так как вязкая сердцевина сохраняется.

Большие роликовые подшипники диаметром 0,5-2 м (для прокатных станков, генераторов) детали изготавливаются из стали 12хнза, 12×2н4а, с глубиной залегания (3-6 мм) цемента. Используйте коррозионностойкую хромистую сталь 95X18 (0,95% C, 18%Cg)для подшипников, работающих в жестких условиях эксплуатации. Сталь для Gears. As с подшипниками качения основным эксплуатационным свойством смазочного колеса является прочность контакта. Определить размеры шестерни и ресурс работы. Помимо высокого контакта Зубцы должны быть устойчивы к изгибу усталости и износу Установите профиль кости и края зуба, сопротивление.

Наиболее полным соответствием этим требованиям являются изделия с твердым поверхностным слоем, вязким и достаточно прочным сердечником, способным выдерживать действие ударных нагрузок. Сочетание твердой поверхности и вязкой сердцевины осуществляется путем химической герметизации или поверхностного упрочнения низкоуглеродистых и среднеуглеродистых изделий. Выбор продукта и способа упрочнения зависит от условий эксплуатации зубчатой передачи, требований технологии и имеющегося оборудования.

Для зубчатых колес, работающих с высокой контактной нагрузкой, используется цементная (Нитроцементная) легированная сталь (см. таблицу 8.4).Они имеют самые высокие пределы контактной выносливости, и согласно ГОСТ 21354-75 их значения определяются пропорционально твердости поверхности (таблица 10.2). HRC 58-63 обеспечивает твердость соединительных поверхностей в конструкциях, состоящих из концентрации углерода от 0,8 до 1,4% и смеси, диспергированной с высокоуглеродистым мартенситом или карбидом. Чрезмерно высокая твердость нежелательна из-за возможности хрупкого разрушения цементного слоя.

При определенной поверхностной твердости прочность контакта увеличивается по мере увеличения толщины упрочненного слоя и твердости сердцевины. Толщина цементного слоя будет равна (0,20 0,26) Т (Модуль zn колеса), но не более 2 мм. Твердость сердцевины составляет HRC 30-42. Шестерни с массой более 150 600 мм в диаметре изготавливаются из хромоникелевой стали 20хнза, 12×2н4а, 18Х2Н4МА и др. и используются в редукторах вертолетов, кораблей и самолетов. Для малых и средних колес устройства, сельскохозяйственной техники, хромистой стали 15Х, 15ХФ, 20ХР и др. не использовать.

После цементировать и последующей термической обработки, шестерня значительно будет deform. To избавляясь от него, необходимо шлифовать шестеренки, что усложняет технологию. Таблица 10.2.Предел контактной выносливости зуба цилиндрической шестерни (ГОСТ 21354 75) Стальная жара и химическая герметичная твердость поверхности обработки 3) Формула 6лкбмпа Сплав цемента и мягкого азотирования HRC> 56 N V 5500-7500 23 HRC> 1290 1050 Закаленные объема из углеродистых и легированных 11 нормализуется, улучшается НRС 40-50 НRС. 38-50 3500 VJ HRC + 200 WHRC + 150 0.2 LH + 70 880-1050 834-1050