практикум по кмвед
.pdf
Второй способ используется при повышенных требованиях к структуре и свойствам деталей. Последние после цементации охлаждают на воздухе, а затем подвергают закалке от 850…900 оС в зависимости от насыщенности поверхностного слоя углеродом (рис. 8.5, б). В сердцевине детали произойдет полная перекристаллизация и зерно измельчится.
Третий способ термообработки – двойную закалку с последующим низким отпуском (рис. 8.5, в) – применяют для особо ответственных деталей при науглероживании поверхностного слоя более 0,8 %.
T,оC |
Цементация, |
|
закалка |
а |
|
|
Отпуск |
|
Цементация |
б |
Закалка |
|
Отпуск |
|
Цементация |
|
1-я закалка |
|
2-я закалка |
в |
Отпуск |
|
|
Рис. 8.5. Режимы термической обработки цементованных изделий: |
|
а – первый способ; б – второй способ; в – третий способ |
|
Первая закалка производится также, как и при втором способе (850…900 оС), т. е. для измельчения структуры сердцевины и устранения сетки цементита на поверхности.
Вторая закалка ведётся от температур 760…800 оС, т. е. температур закалки высокоуглеродистых сталей. В поверхностном слое выделяется мелкоигольчатый мартенсит с вкраплением избыточного цементита, что
51
обеспечивает высокую износостойкость. Для сердцевины такой режим обработки не является перегревом.
Цементованные детали после закалки подвергаются низкому отпуску при температуре 150…200 оС для снятия напряжений.
8.2. Порядок выполнения работы
1.Изучить структуру цементованного слоя на микрошлифе цементованной стали.
2.Зарисовать схему микроструктуры.
3.На образце-«свидетеле» измерить глубину цементованного слоя с помощью микроскопа МПБ-2.
8.3. Содержание отчёта
1.Описание цели работы.
2.Схема структуры цементованного слоя.
3.Схема излома «проявленного» образца-«свидетеля».
4.Выводы.
8.4. Контрольные вопросы
1.Что такое химико-термическая обработка стали?
2.Назовите стадии химико-термической обработки.
3.Что такое цементит?
4.Какова цель цементации?
5.Назовите марки сталей, применяемых для цементации.
6.При какой температуре проводится цементация?
7.Назовите структурные зоны цементованного слоя.
8.От чего зависит глубина цементованного слоя?
9.Как можно контролировать глубину слоя в период процесса цементации?
10.В чем суть цементации в твёрдом карбюризаторе?
11.Какова сущность газовой цементации?
12.Опишите режимы термообработки цементованных деталей в зависимости от требований эксплуатации.
Рекомендуемая литература [1–6, 19].
52
9. МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ И ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ
Цель работы: исследовать микроструктуру углеродистых и легированных сталей в равновесном состоянии.
Приборы и оборудование: металлографический микроскоп, комплект лабораторных образцов, атлас микроструктур.
9.1. Краткие теоретические сведения
К углеродистым сталям относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого колеблется от 0,02 до 2,14 %.
Железо является полиморфным металлом, имеющим разные кристаллические решётки в зависимости от температуры. До 911 oС железо имеет решётку ОЦК (объёмно-центрированную кубическую). Эта аллотропическая модификация железа называется -железом. При температуре выше 911 оС объёмно-центрированная решётка превращается в гранецентрированную (ГЦК). Эта модификация железа называется -железом.
Углерод является неметаллическим элементом. В природе встречается в виде графита и алмаза. Железо и углерод взаимодействуют между собой, образуя в зависимости от их количественного соотношения и температуры различные фазы.
Твёрдый раствор углерода в -железе называется ферритом, имеет ОЦК решётку, содержит при 727 оС 0,02 % углерода. Феррит обладает низкой твёрдостью (НВ 80), прочностью и высокой пластичностью.
Химическое соединение углерода с железом (карбид железа) Fe3C называется цементитом. Цементит обладает сложной кристаллической решёткой, содержит 6,67 % углерода. Цементит имеет высокую твёрдость (более НВ 800) и очень низкую, практически нулевую, пластичность.
Согласно диаграмме «железо–углерод» (рис. 9.1) все углеродистые стали при нормальной температуре состоят из двух фаз – феррита и цементита.
Так как в феррите содержится не более 0,02 % С, то практически весь углерод, имеющийся в стали, входит в состав цементита. Поэтому с увеличением процентного содержания углерода, увеличивается доля цементита в стали, что приводит к повышению твёрдости и понижению вязкости и пластичности.
53
По содержанию углерода углеродистые стали подразделяются на эв- |
|||||||
тектоидные, доэвтектоидные и заэвтектоидные. |
|
||||||
T , o C |
|
|
|
|
|
|
|
1539A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E |
1147 |
|
|
|
А |
|
|
т |
|
|
|
|
|
с |
|
||
910 |
G |
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Ас3 |
|
|
|
|
|
Ф |
Ф + А |
Ас1 |
S |
А+ ЦII |
|
|
|
P |
|
|
727 |
|||
|
|
|
Ф + П |
П |
П + ЦII |
|
|
|
|
Q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,8 |
|
2,14 |
С, % |
|
Рис. 9.1. Нижняя часть диаграммы Fe – Fe3C (стальной участок) |
||||||
Эвтектоидные стали содержат
0,8 %С и имеют структуру перлит, т. е. механическую смесь феррита и цементита (рис. 9.2). Перлит П (Ф + Ц) чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляю-
перлит |
щей: σв = 800…900 МПа, НВ 180…220. |
|
|
||
|
Доэвтектоидные стали содержат от |
|
|
0,02 до 0,8 %С и имеют ферритопер- |
|
|
литную структуру. На рис. 9.3 видны |
|
Рис. 9.2. Структура эвтектоидной |
структурные составляющие такой ста- |
|
ли: феррит (светлые участки) и перлит |
||
стали (0,8 %С) Х 300 |
||
(тёмные участки). |
||
|
Количественное соотношение этих составляющих зависит от содержания в стали углерода. С увеличением последнего, растёт количество перлита и уменьшается количество феррита. Поскольку цементит входит в
54
состав перлита, то увеличение этой фазы ведет к повышению твёрдости и уменьшению пластичности стали.
Заэвтектоидные стали содержат углерода от 0,8 до 2,14 %. Структура заэвектоидных сталей представляет собой зёрна перлита, по границам которых располагается цементит в виде тонкой сетки, что способствует значительному повышению хрупкости стали (рис. 9.4).
|
|
цементит |
|
|
перлит |
феррит |
перлит |
||
|
|
|
||
Рис. 9.3. Структура |
Рис. 9.4. Структура |
|||
доэвтектоидной стали Х 300 |
заэвтектоидной стали Х 300 |
|||
По соотношению структурных составляющих в доэвтектоидных сплавах можно определить количество находящегося в них углерода и соответственно марку стали. Этот приём основан на том, что практически весь углерод находится в составе перлита. В феррите его количество при 20 оС не превышает 0,006 %. Учитывая, что перлит содержит углерода 0,8 %, то определив занимаемую им площадь в исследуемой стали, по формуле рассчитывается процентное содержание углерода: С = 0,8 (Fп/100), где Fп – площадь, занимаемая перлитом, %.
Для качественных конструкционных и инструментальных углеродистых сталей различных марок ГОСТами установлены определённые пределы по содержанию углерода. Следовательно, определив его количество в исследуемой стали, можно установить её марку (табл. 9.1).
Качественные углеродистые стали по назначению подразделяются на конструкционные и инструментальные.
Качественные конструкционные стали маркируются двузначными цифрами, означающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (табл. 9.1).
55
Таблица 9.1
Химический состав и механические свойства углеродистых качественных сталей
|
Содержание элементов, % |
Свойства после |
|
|
Твёрдость |
||||||||
|
|
нормализации |
|
|
HB |
||||||||
стали |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
αн, |
без тер- |
|
после |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
миче- |
|
отжига |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Марка |
|
|
|
в, |
|
т, |
δ, |
|
, |
кгс |
|
||
|
|
|
|
|
ской |
|
или вы- |
||||||
С |
Mn |
Si |
кгс/мм2 |
кгс/мм2 |
% |
|
% |
м/мм2 |
|
||||
|
обра- |
|
сокого |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ботки |
отпуска |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
не менее |
|
|
не более |
||||
08 |
0,05–0,12 |
0,36–0,65 |
0,17–0,37 |
32 |
|
20 |
33 |
|
60 |
– |
131 |
|
131 |
10 |
007–0,14 |
0,35–0,65 |
0,17–0,37 |
34 |
|
21 |
31 |
|
55 |
– |
143 |
|
143 |
15 |
0,12–0,19 |
0,35–0,65 |
0,17–0,37 |
38 |
|
23 |
27 |
|
55 |
– |
149 |
|
149 |
20 |
0,17–0,24 |
0,35–0,65 |
0,17–0,37 |
42 |
|
25 |
25 |
|
55 |
– |
163 |
|
163 |
25 |
0,22–0,30 |
0,50–0,80 |
0,17–0,37 |
46 |
|
28 |
23 |
|
50 |
9 |
170 |
|
170 |
30 |
0,27–0,35 |
0,50–0,80 |
0,17–0,37 |
50 |
|
30 |
21 |
|
50 |
8 |
179 |
|
179 |
35 |
0,32–0,40 |
0,50–0,80 |
0,17–0,37 |
54 |
|
32 |
20 |
|
45 |
7 |
207 |
|
187 |
40 |
0,37–0,45 |
0,50–0,80 |
0,17–0,37 |
58 |
|
34 |
19 |
|
45 |
6 |
217 |
|
197 |
45 |
0,42–0,50 |
0,50–0,80 |
0,17–0,37 |
61 |
|
36 |
16 |
|
40 |
5 |
229 |
|
207 |
50 |
0,47–0,55 |
0,50–0,80 |
0,17–0,37 |
64 |
|
38 |
14 |
|
40 |
4 |
241 |
|
217 |
55 |
0,52–0,60 |
0,50–0,80 |
0,17–0,37 |
66 |
|
39 |
13 |
|
35 |
– |
255 |
|
229 |
60 |
0,57–0,65 |
0,50–0,80 |
0,17–0,37 |
69 |
|
41 |
12 |
|
35 |
– |
255 |
|
229 |
Инструментальные углеродистые стали маркируются буквой У и следующей за ней цифрой, показывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента (табл. 9.2).
Таблица 9.2
Химический состав углеродистых качественных инструментальных сталей
Марка |
|
Содержание элементов, % |
|
|
||
|
|
|
|
S |
P |
|
стали |
С |
Мn |
Si |
|
||
|
не более |
|||||
|
|
|
|
|
||
У7 |
0,65–0,74 |
0,20–0,40 |
0,15–0,35 |
|
0,030 |
0,035 |
У8 |
0,75–0,84 |
0,20–0,40 |
0,15–0,35 |
|
0,030 |
0,035 |
У8Г |
0,80–0,90 |
0,35–0,60 |
0,15–0,35 |
|
0,030 |
0,035 |
У9 |
0,85–0,94 |
0,15–0,35 |
0,15–0,35 |
|
0,030 |
0,035 |
У10 |
0,95–1,04 |
0,15–0,35 |
0,15–0,35 |
|
0,030 |
0,035 |
У11 |
1,05–1,14 |
0,15–0,35 |
0,15–0,35 |
|
0,030 |
0,035 |
У12 |
1,15–1,24 |
0,15–0,35 |
0,15–0,35 |
|
0,030 |
0,035 |
У13 |
1,25–1,35 |
0,15–0,35 |
0,15–0,35 |
|
0,030 |
0,035 |
56
Легированные стали. Легированными называются стали, в состав которых вводятся легирующие элементы с целью получения необходимых свойств.
Приняты следующие обозначения легирующих элементов:
азот – А, ниобий – Б, вольфрам – В, марганец – Г, медь – Д, кобальт – К, молибден – М, никель – Н, фосфор – П, селен – Е, бор – Р, кремний – С, титан – Т, ванадий – Ф, хром – Х, цирконий – Ц, редкоземельные металлы – Ч, алюминий – Ю.
Легированные стали маркируются сочетанием букв и цифр, обозначающих их химический состав.
Две цифры в начале марки конструкционной легированной стали показывают содержание углерода в сотых долях процента. Цифра, стоящая после буквы, указывает на примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра отсутствует, то легирующего элемента меньше или около 1 %. При отсутствии в обозначении легированной стали цифры, указывающей на содержание углерода, его количество составляет 0,9…1,0 %.
Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная, т. е. с пониженным содержанием серы и фосфора. Если буква А стоит в середине, то это указывает на наличие введённого в сталь азота.
Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки шарикоподшипниковых сталей начинаются с буквы Ш, электротехнические – с буквы Э, автоматные – с буквы А, быстрорежущие – с буквы Р и др.
Например: 50ХГ2ФА – сталь легированная, конструкционная, высококачественная, содержит 0,5 % углерода, 1 % хрома, 2 % марганца, 1 % ванадия;
ШХ15 – сталь шарикоподшипниковая, |
|
|
содержит 0,9…1,0 % углерода, и 1,5 % |
|
|
хрома (рис. 9.5); |
|
|
Р6М5 – сталь быстрорежущая, с со- |
|
|
держанием углерода 0,9…1,0 %, вольф- |
|
|
рама – 6 %, молибдена – 5 % (рис. 9.6). |
|
|
Если в стали общее содержание леги- |
|
|
рующих элементов до 5 % – такая сталь |
|
|
считается низколегированной; от 5 до |
|
|
10 % – среднелегированной и более 10 % |
Рис. 9.5. Структура стали ШХ15 |
|
– высоколегированной. |
||
после отжига Х 300 |
||
|
57
Легированные стали применяют после закалки и отпуска, так как в отожжённом состоянии они по механическим свойствам практически не отличаются от углеродистых.
Улучшение механических свойств обусловлено влиянием легирующих элементов на свойства феррита, дисперсностью карбидной фазы, устойчивостью мартенсита при отпуске, прокаливаемостью, размером зерна.
В конструкционных сталях феррит – основная структурная составляющая, во многом определяющая их свойства.
Легирующие элементы, растворяясь в феррите, упрочняют его. Наиболее сильно повышают твердость (нормализованного) феррита кремний, марганец, никель. Упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, большинство легирующих элементов снижают его ударную вязкость, особенно, если их концентрация выше 1 %.
При увеличении в стали углерода усиливается влияние карбидной фазы, дисперсность которой определяется термической обработкой и составом стали.
Большинство легирующих элементов измельчает зерно, что способствует повышению работы развития трещин и снижению порога хладноломкости.
Для обеспечения высокой конструкционной прочности количество легирующих элементов в стали должно быть рациональным.
Все карбидные фазы обладают высокой температурой плавления и высокой твёрдостью. Сталь при наличии небольшого количества нерастворимых карбидов сохраняет мелкозернистое строение до весьма высоких температур нагрева (рис. 9.7).
Рис. 9.6. Структура быстрорежущей |
Рис. 9.7. Структура стали ШХ15 после |
стали Р6М5 после отжига Х 1000 |
закалки и низкого отпуска Х300 |
58
Шарикоподшипниковая сталь обычно легируется хромом для обеспечения необходимой прокаливаемости. В закалённом состоянии эта сталь отличается высокой прочностью, твёрдостью, износостойкостью и высоким сопротивлением контактной усталости.
Состав шарикоподшипниковой стали ШХ9: углерода 1,05–1,1 %; хрома 0,9–1,2 %; марганца 0,2–0,4 %; кремния 0,17–0,37 %.
9.2. Порядок выполнения работы
1.Изучить микроструктуру углеродистых сталей в равновесном состоянии.
2.Изучить микроструктуру легированных сталей.
3.Схематически зарисовать наблюдаемые в микроскоп структуры.
4.Определить структурные составляющие и указать, из каких фаз состоит каждая из них.
5.Определить на основании микроанализа вид стали (доэвтектоидная, эвтектоидная или заэвтектоидная), марку стали по ГОСТ, классифицировать по назначению (конструкционная, инструментальная или специальная).
6.Расчетным методом определить количество углерода и установить марку доэвтектоидной стали.
9.3. Содержание отчёта
1.Описание цели работы.
2.Чертеж диаграммы состояния Fe–Fe3C с обозначением фазовых структурных областей (стальная часть).
3.Рисунок структуры изученных образцов.
4.Под каждым рисунком указать структуру, содержание углерода и назначение стали.
9.4. Контрольные вопросы
1.Что такое аустенит?
2.Что такое феррит?
3.Что такое цементит?
4.Что такое перлит?
5.Какова структура доэвтектоидной стали?
59
6.Какова структура эвтектоидной стали?
7.Какова структура заэвтектоидной стали?
8.Как маркируются углеродистые стали?
9.Что такое легирующие элементы?
10.Как обозначаются легирующие элементы по ГОСТ?
11.Что называется легированными сталями?
12.Что влияет на свойства легированных сталей?
13.Какое влияние оказывают легирующие элементы на свойства стали?
14.Что такое специальные карбиды?
15.Какие химические элементы являются карбидообразующими?
Рекомендуемая литература [1–3, 5, 6, 8, 19].
10. МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНОВ
Цель работы: исследовать микроструктуры белых, серых, ковких и высокопрочных чугунов.
Приборы и оборудование: металлографический микроскоп, комплект лабораторных образцов, атлас микроструктур.
10.1. Краткие теоретические сведения
Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода более 2,14 %.
Углерод в чугунах может находиться в двух состояниях: а) связанном – в виде цементита; б) свободном – в виде графита.
В зависимости от этого чугуны разделяются на две группы:
–чугуны, у которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита, называются белыми;
–чугуны, у которых весь углерод или часть его находится в свободном состоянии в виде графита – серые, ковкие, высокопрочные.
Белые чугуны в зависимости от содержания в них углерода разделяются на доэвтектические (от 2,14 до 4,3 %С), эвтектические (4,3 %С) и заэвтектические (от 4,3 до 6,67 %С). Такие чугуны очень твёрдые, хрупкие, плохо
60