- •Работа № 1 металлографические методы анализа металлов и сплавов
- •Макроскопический анализ
- •Назначение макроскопического анализа и приготовление макрошлифа
- •Исследование изломов
- •Выявление общей ликвации и полосчатости строения
- •Выявление ликвации серы
- •Порядок выполнения микроанализа
- •Содержание отчета по работе
- •Работа № 10 определение прокаливаемости стали
- •Краткие теоретические сведения
- •Порядок выполнения работы
- •Содержание отчета по работе
- •Работа № 11 термическая обработка инструментальной углеродистой и быстрорежущей сталей
- •Краткие теоретические сведения
- •Порядок выполнения работы
- •Содержание отчета по работе
- •Работа № 12 микроанализ легированных сталей
- •Краткие теоретические сведения
- •Порядок выполнения работы
- •Содержание отчета по работе
Порядок выполнения работы
Вычертить график режима термической обработки инструментальной стали У8 и быстрорежущей стали Р18.
Записать химический состав сталей.
Определить твердость и описать структуру сталей У8 и Р18 в отожженном состоянии.
Произвести закалку образцов сталей У8 и Р18.
Определить твердость образцов стали после закалки на приборе Роквелла. Результаты записать в таблицу.
Произвести отпуск закаленных образцов сталей У8 и Р18 при температурах 250, 350, 450, 550 и 650 °С с выдержкой 30 мин.
Определить твердость образцов после отпуска на приборе Роквелла. Результаты записать в таблицу.
Построить кривые зависимости твердости от температуры отпуска для сталей У8 и Р18.
Изучить под микроскопом и зарисовать микроструктуру сталей У8 и P18 в отожженном и закаленном состояниях и после отпуска при температуре 550 °С.
Сделать выводы по работе.
Содержание отчета по работе
Краткие сведения из теории термической обработки инструментальной углеродистой и быстрорежущей сталей.
Построенный по литературным данным график режима термической обработки сталей У8 и Р18.
Химический состав сталей У8 и Р18.
Протокол определения твердости образцов стали в отожженном и закаленном состояниях и после отпуска.
Кривые зависимости твердости от температуры отпуска сталей У8 и Р18.
Рисунки микроструктур сталей с соответствующими пояснениями.
Выводы по работе, содержащие объяснения и практическое значение высокой твердости стали Р18 и низкой твердости У8 после высоких температур отпуска.
Работа № 12 микроанализ легированных сталей
Цель работы – Изучить состав, термическую обработку, структуру, свойства и назначение некоторых жаростойких и жаропрочных сталей
Краткие теоретические сведения
Стали, в которые введены специальные элементы, заметно изменяющие их определенные свойства, называются легированными сталями.
Свойства легированных сталей зависят от того, какие элементы вводятся в сталь, в каком количестве и в какие взаимодействия вступают легирующие элементы с железом и углеродом. С железом легирующие элементы образуют твердые растворы и интерметаллидные соединения.
По отношению к углероду легирующие элементы можно разделить на две группы:
не образующие карбидов – это никель, медь, алюминий, кремний;
карбидообразующие – марганец, хром, титан, тантал, цирконий, гафний, вольфрам, ванадий.
Легирующие элементы по влиянию на температурную область существования полиморфных модификаций железа можно разделить на две группы.
Рис. 18. Схемы влияния легирующих
элементов на полиморфизм железа
Как видно из диаграммы сплавы, имеющие концентрацию легирующего элемента больше указанной на рис. Рис. 18.а (точка «х») не испытывают фазовых превращений и при всех температурах представляет собой твердый раствор легирующего элемента в - железе. Такие сплавы называют аустенитными. Сплавы, частично претерпевающие превращение , называют полуаустенитными.
Элементы второй группы (хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан и др.) понижают температуру критической точки А4 и повышают температуру точки А3. Это приводит к тому, что при определенной концентрации легирующих элементов (точка «у» на рис. Рис. 18.б) область - фазы полностью замыкается и сплавы с концентрацией легирующих элементов больше, чем точка «у» при всех температурах состоят из твердого раствора легирующего элемента в - железе. Такие сплавы называются ферритными, а сплавы, имеющие лишь частичное превращение – полуферритными.
Конструкционные легированные стали по структуре в нормализованном состоянии делятся на следующие классы: перлитный, мартенситный, аустенитный и ферритный. Каждый из классов целесообразно связать с диаграммой изотермического превращения аустенита (рис. Рис. 19). Для сталей перлитного класса кривая охлаждения пересекает диаграмму изотермического превращения аустенита и структура получается перлитной (рис. Рис. 19.а). Для сталей мартенситного класса скорость охлаждения выше критической и аустенит превращается в мартенсит (рис. Рис. 19.б).
Рис. 19. Диаграммы изотермического
превращения аустенита для перлитного
(а), мартенситного (б) и аустенитного
(в) классов сталей (схема)
Стали, содержащие большое количество ферритообразующих элементов (Cr, Mo, W и др.) выделены в ферритный класс.
Для обозначения марок легированных сталей принята буквенно-цифровая система. Буквами обозначают легирующие элементы: Хром – Х, кремний – С, Никель – Н, Титан – Т, Марганец – Г, Нниобий – Б, Медь – Д, алюминий – Ю, Молибден – М, Азот – А, Вольфрам – В, Бор – Р, Ванадий – Ф, Цирконий – Ц.
Эти буквы, сочетаясь с цифрами определяют состав легированной стали. Цифры впереди марки указывают на содержание углерода в стали: одна – в десятых долях процента (инструментальные стали), а две или три цифры – в сотых долях процента. Если впереди марки цифры нет, то это значит, что сталь содержит либо 1 % С, либо больше. Цифры, стоящие за буквами, указывают на среднее содержание данного легирующего элемента в процентах. Если за буквой цифра отсутствует, это значит, что данного элемента в стали менее 1 %, если стоит цифра 1 – около 1,5 %. Буква А в конце марки обозначает, что сталь этой марки является высококачественной, имеет пониженное содержание серы и фосфора.
Жаростойкие (окалиностойкие) стали
Под действием окружающей среды может произойти разрушение металлов в результате коррозии. Различают химическую коррозию, протекающую при воздействии на металл газов и неэлектролитов, и электрохимическую коррозию, вызываемую действием электролитов: кислот, щелочей, солей. Стали, устойчивые к электрохимической коррозии, называют коррозионно-стойкими (нержавеющими), а стали, устойчивые к газовой коррозии при высоких температурах, называют жаростойкими (окалиностойкими).
Повышение жаростойкости достигается введением в сталь, главным образом, хрома, а также алюминия или кремния. Эти элементы, обладая большим сродством к кислороду, чем железо, в процессе нагрева образуют защитные плотные пленки оксидов (Cr, Fe)2O3, (Al,Fe)2O3.
Жаростойкость зависит от химического состава стали, а не от ее структуры. Введение в сталь 5-8 % Cr повышает жаростойкость до 700-750 °С, увеличение содержания хрома до 15-17 % делает сталь жаростойкой до 950-1000 °С. При одинаковом содержании хрома жаростойкость и ферритных и аустенитных сталей одинакова.
Рис. 20. Микроструктура стали 15Х25Т –
легированной феррит
Сталь 15Х25Т, содержит, в среднем, углерода 0,15 %, хрома 24-27 %, титана 0,9 %. Благодаря высокому содержанию хрома сталь относится к ферритному классу. В качестве термической обработки применяется отжиг при температуре 760 – 780 °С, структура – феррит (рис. Рис. 20). Сталь применяют для изготовления малонагруженных деталей печей; температура эксплуатации 800 – 1000 °С.
Сталь 20Х23Н18, содержащая, в среднем, углерода 0,2 %, хрома 22-25 %, никеля 17-20 %, кремния 1 %, относится к аустенитному классу; сталь подвергают закалке с температуры 1020 °С, структура – легированный аустенит (рис. Рис. 21). Сталь применяют для изготовления муфелей печей, направляющих, деталей вентиляторов, жаростойкость сохраняется до 800 – 1000 °С.
Рис. 21. Микроструктура стали 20Х23Н18 –
легированной аустенит
Для изготовления электронагревателей печей используют жаростойкие стали, легированные дополнительно алюминием: Х13Ю4, Х23Ю5Т - структура близка к представленной на рис. Рис. 20.
Жаропрочные стали
Жаропрочными называют, стали и сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.
Если при высокой температуре нагрузить металл постоянно действующим напряжением даже ниже предела текучести при этой температуре и оставить его под нагрузкой длительное время, то он в течение всего времени действия температуры и нагрузки будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление получило название ползучести, развитие которой со временем может привести к разрушению металла. Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропрочностью.
Жаропрочность характеризуется условным пределом ползучести и пределом длительной прочности. Под условным пределом ползучести понимают напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца. Предел ползучести обозначают с числовыми индексами, например - предел ползучести при допуске на деформацию 0,2 % за 100 ч испытания при температуре 700 °С.
Пределом длительной прочности называют наибольшее напряжение, вызывающее разрушение металла за определенное время при постоянной температуре. Предел длительной прочности обозначается с двумя числовыми индексами, например - предел длительной прочности за 1000 ч при температуре 700 °С.
Жаропрочность стали зависят от величины сил межатомной связи, а также от структуры. Повышение жаропрочности стали достигается легированием твердого раствора (феррита или аустенита), приводящим к увеличению энергии связи между атомами, в результате чего задерживается процесс диффузии, а температура рекристаллизации возрастает. Жаропрочные стали должны иметь специальную структуру, состоящую из твердого раствора и вкрапленных в него и расположенных по границам зерен дисперсных карбидов и интерметаллидных фаз. Такая структура получается в результате закалки с высоких температур и последующего высокотемпературного длительного отпуска (старения). Различают жаропрочные стали перлитного, мартенситного и аустенитного классов.
Стали перлитного класса применяют для изготовления деталей и узлов энергетических установок, работающих длительное время ( 10000 – 200000 ч) при температурах не выше 500-580 °С и сравнительно мало нагруженных.
Для паропроводных и пароперегревательных труб с рабочей температурой 600 °С применяют низколегированные стали, содержащие Cr, V, Mo, Nb: 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР.
Рис. 22. Микроструктура стали 15Х1М1Ф –
сорбит
Стали мартенситного класса предназначены для изделий, работающих при температурах 450-600 °С и от перлитных сталей отличаются повышенной жаростойкостью в атмосфере пара или топочных газов. К ним относятся высокохромистые (8-13 % Cr) стали, добавочно легированные W, Mo, V, Nb и В – 15Х11МФ, 15Х5М, 11Х11Н2В2МФ и др.
Рис. 23. Микроструктура стали 15Х11М1Ф –
сорбит
Стали аустенитного класса, по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали и используются при температуре выше 600 °С.
Аустенитные стали по способу упрочнения подразделяют на три группы:
твердые растворы, не упрочняемые старением;
твердые растворы с карбидным упрочнением;
твердые растворы с интерметаллидным упрочнением.
Наиболее высокими показателями жаропрочности обладают стали с карбидным или интерметаллидным упрочнением.
Рис. 24. Микроструктура стали 37Х12Н8Г8МХ
– аустенит и карбиды
Сталь 37Х12Н8Г8МФ (содержание углерода 0,34-0,4 %, хрома 11,5-13,5 %, никеля 7-9 %, марганца 7,5-9,5 %, молибдена 1,1-1,4 %, ниобия 0,25-0,45 %, ванадия 1,25-1,55 %) подвергают закалке с температуры 1170-1190 °С (вода, воздух) и старению 800 °С, 8-10 часов; . Структура стали состоит из легированного аустенита и карбидов (рис. Рис. 24).
Самыми жаропрочными являются аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением, например, 10Х11Н20Т3Р, 10Х11Н23Т3МР.
Рис. 25. Микроструктура стали 10Х11Н20Т3Р
– аустенит, интерметаллиды и карбиды
Сталь 10Х11Н20Т3Р (содержание углерода 0,1 %, хрома 10-12,5 %, никеля 18-21 %, титана 2,3-2,8 %, алюминия до 0,5 %, бора 0,008-0,02 %) упрочняют закалкой от 1060-1080 °С и старением при 700 °С (3-8 ч) (); ее применяют для изготовления деталей газотурбинных двигателей, работающих при температуре 650-700 °С.
Микроструктура этой стали представлена на рис. Рис. 25.