Шпаргалка: Основные вопросы, объясняющие материаловедение

Углеродистые стали

Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода до 2,14% называют сталями. Помимо углерода в углеродистые стали при выплавке попадают посторонние примеси: обусловленные тезнологическими процессами (Mn, Si), невозможностью их удаления при плавке (P, S), случайными обстоятельствами (Ni, Cu). Если перечисленные элементы входят в больших количествах, чем предусмотренные ГОСТом на углеродистые стали, эти стали считают легирующими.

Влияние постоянных примесей на структуру с свойства стали.

К постоянным относятся Mn, Si, S, P и газы O, N, H. Верхний предел присутсвия S, P ограничивается 0,05%, Mn, Si – 0,08%.

Марганец вводят в сталь для раскисления, т.е. для устранения вредного влияния закиси железа FeO+MnMnO+Fe. При введении марганца происходит восстановление железа из закиси, тем самым несколько увеличиваются характеристики пластичности стали.

Кремний вводится для раскисления 2FeO+Si2Fe+SiO2.

Фосфор – вредная примесь, попадает в сталь вместе с рудой. Присутствие фосфора повышает порог хладноломкости стали, т.е. повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Его удаляют в процессе выплавки стали путем изменения состава шлаков и флюсов.

Сера – как и фосфор, попадает с рудой. Взаимодействуя с железом образует сульфид (FeS), входящий в состав эвтектики плавящейся при Т=988 оС. наличие легкоплавкой эвтектики приводит к охрупчиванию стали при температурах красного коления (800 оС). Это явление называют красноломкость. Введение в сталь марганца устраняет красноломкость в виду того, что марганец обладает большим сродством к сере, чем железо: FeS+MnMnS+Fe. В результате образуется сульфид марганца, который входит состав эвтектики, плавящейся при Т=1620 оС.

Газы. Основные газы, которые попадают в сталь – O, N, H. O и N образуют оксиды и нитриты, которые охрупчивают сталь. Особенно вредно присутствие в стали H, который приводит к внутренним надрывам в металле с образованием, т.н. флокены. Устранение газов возможно при выплавке стали в электропечах или вакууме.

Способы производства стали.

Различают бессемеровский, кислородно-конверторный, мартеновский и способ выплавки в дуговых и индукционных печах.

Бессемеровский способ в настоящее время практически не применяется в связи с низким качеством полученной стали. Сущность способа состоит продувке жидкого чугуна воздухом. Кислород воздуха окисляет углерод, доводя его содержание до количества, необходимого в стали. Низкое качество стали обусловлено тем, что в процессе продувки воздухом сталь насыщается азотом. Кроме того, вредные примеси (сера, фосфор) не удаляются.

В отличие от бессемеровского способа, при кислородно-конверторном способе продувку жидкого чугуна осуществляется чистым кислородом. При этом, равно как и в мартеновском способе, в зависимости от состава шлаков и флюсов, футеровка печи бывает основной (магнезит, хромомагнезит) или кислой (динас). Футеровку выбирают так, чтобы не проходила реакция между шлаком и футеровкой. При основном процессе из стали в большей степени удаляется фосфор, в меньшей -- сера. Однако при этом сталь содержит большее количество газов. Более дорогой кислый процесс проводят в том случае, когда нужно получить чистую по газам сталь.

Наиболее качественная сталь получается при выплавке в дуговых и индукционных печах.

В зависимости от степени раскисления различают стали спокойные, кипящие и полуспокойные. Спокойные стали получают при раскислении марганцем, алюминием, кремнием и обозначают СП. Кипящую сталь получают при раскислении только марганцем. Обозначают такие стали КП. Полуспокойные стали раскисляют марганцем и кремнием и обозначаются ПС.

Углеродистые стали общего назначения (обыкновенного качества).

Потребителю с металлургических заводов стали поставляются в виде проката (ленты, прутки, швеллеры, трубы ). Раньше по ГОСТу стали обыкновенного качества поставляли по трем группам:

-А - с гарантированными механическими свойствами;

-Б - с гарантированным химическим составом;

-В - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

Стали маркировались : группа А - Ст.0,Ст.1,..,Ст.6; группа Б - с указанием способа выплавки - БСт.1,МСт.1 , где

Б - бессемеровский , а М - мартеновский способы выплавки; группа В: - ВСт.1.

В соответствии с ГОСТом , вступившим в действие с 90 г., с учетом того, что стали выплавляют преимущественно электро-способами, стали обыкновенного качества маркируют просто Ст.1,..,Ст.6, где за цифрой может стоять способ раскисления: Ст.1КП. Ст.1ПС, Ст.1СП.

Основы теории термической обработки

Под термической обработкой понимают изменение структуры, а следовательно, и свойств стали при нагреве до заданной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с заданной скоростью.

При термической обработке сталей необходимо учитывать фазовые и структурные превращения, происходящие при различных скоростях нагрева и охлаждения. Диаграмма Железо-Углерод дает представление о фазовых и структурных превращениях при бесконечно малых скоростях нагрева и охлаждения. Иными словами на диаграмме представлены фазы и структурные составляющие в равновесном состоянии. Увеличение скорости охлаждения может тормозить протекание диффузионных процессов, а иногда и полностью их подавлять, поэтому реальные условия нагрева и охлаждения и обеспечивают ту или иную структуру сплавов.

Основные виды термической обработки

К основным видам относятся отжиг, закалка и отпуск. Но прежде чем говорить об этих видах, необходимо ввести понятие критической точки. Критические точки обозначаются буквой А : А1 или А3. А1 лежит на линии PSK, а А3 - на линиях GS и SE. Для того, чтобы

отличать критические точки при нагреве от критических точек при охлаждении в первом случае перед цифрой ставят букву c – Аc1, а во втором - букву r – Аr1. Для того, чтобы отличать критические точки А3 для доэвтектоидных сталей (GS) от А3 заэвтектоидных (SE), в первом случае пишут Аc3 и Аr3, а во втором - Аcm и Аrm.

Отжиг - фазовая перекристаллизация, которая происходит при нагреве стали выше Аc3 с последующей выдержкой и медленным охлаждением. Если нет необходимости в полной перекристаллизации структурных составляющих, проводят нагрев стали выше точки Аc1 (плюс выдержка и медленное охлаждение, процесс получил название неполный отжиг). Отжиг приводит структуру стали в состояние близкое к равновесному. Структура доэвтектоидных сталей после отжига - Ферит + Перлит, эвтектоидной стали - Перлит, заэвтектоидных - Перлит + Цементит.

Первое отклонение структуры от равновесного состояния происходит при нагреве стали выше точки Аc3, выдержке и охлаждении на спокойном воздухе - нормализация.

Закалка - нагрев стали выше критической точки Аc3 с последующей выдержкой и быстрым охлаждением. При быстром охлаждении подавляются все диффузионные процессы и образуется новая структура, характерная для закаленной стали - мартенсит. Мартенсит - перенасыщенный твердый раствор углерода в - железе.

Отпуск - нагрев закаленной стали ниже точки Аc1 с последующей выдержкой и охлаждением с заданной скоростью. В практике обработки стали и других сплавов применяют также сочетания химических и термических воздействий (химико-термическая обработка). При химико-термической обработке в процессе нагрева деталей в поверхность последних внедряют атомы других элементов. Например, если дополнительно обрабатывать сталь углеродом, то процесс называется цементацией; азотом - азотированием; одновременно азотом и углеродом - цианированием; хромом - хромированием, и т.д.

Мартенситное превращение

Мартенсит - является, структурой закаленной стали. Это пересыщенный твердый раствор Углерода в  - железе. С таким же содержанием углерода что и аустенит, из которого образуется мартенсит. В виду того, что атом углерода в ГЦК решетки аустенита остаются в тех же местах решетки мартенсита. Кристаллическая решетка последнего, искажается и становится тетрагональной.

Тетрагональная решетка в отличие от кубической описывается 2-мя параметрами, параметр а и с.

Отношение c/a - называется степенью тетрагональности, (c/a)1.

Мартенсит образуется при резком переохлаждении аустенита ниже температуры начала мартенситного превращения. Процесс носит бездифузионный характер в отличие от перлитного и бенитного превращения. Образование мартенсита проходит практически мгновенно. Под микроскопом структура мартенсита выглядит как отдельные иглы, ориентированные под определенными углами друг к другу. Количество превращенного в мартенсит аустенита зависит от процентного содержания углерода в стали. С увеличением процентного содержания углерода, положение точек начала и конца мартенситного превращения снижается область более низких температур, а при содержании углерода более 0,5%, точка конца мартенситного превращения снижается в область отрицательных температур. Поэтому, в структуре стали более 0,5%, после закаления, наряду с мартенситом, присутствует некоторое количество аустенита, который не превратился в мартенсит.

Этот аустенит называется аустенит остаточный. Если превышенное содержание углерода в стали, превышающее 0,5%, влияет на положение точек. Мн – начало мартенситного положения и Мк – конец мартенситного положения, то скорость охлаждения практически не влияет на расположение этих точек. Однако скорость охлаждения влияет на сам процесс превращения. Если стали охлаждения из аустенитной области и в интервале между температурами Мн и Мк дать небольшую выдержку, то во время этой выдержки будет образовываться дополнительное количество мартенсита. В связи с этим различают атермический и изотермический мартенсит. Первый образуется при непрерывном охлаждении до конца превращения. Второй – в процесс выдержки между Мн и Мк.

Твердость мартенсита зависит от содержания углерода, его кристаллической решетки и составляет величину порядка 60-65 HRCэквив. Твердость стали, зависит от скорости охлаждения из аустенитной области, определяющей тип структуры. Если проводить охлаждение со скоростью V1, то аустенит будет распадаться на ферито-циментитную смесь пластического строения, которая называется собственно-перлитной. Для стали У8 твердость собственного перлита составляет 250 НВ. С увеличение скорости охлаждения (V2,V3) происходит распад аустенита с образованием более дисперсных продуктов, представляет химическую смесь фирита и цементита так же пластичного строения. При скорости охлаждения V2 - образуется структура – сорбид. V3 - тростит, с твердостью 200НВ и 250НВ.

Если аустенит переохлаждать до температуры начала мартенситного превращения скорости V4 то, ни какого распада на ферито-цементитную смесь не происходит. Аустенит по бездифузионному механизму превращается в мартенсит. Скорость охлаждения V5 является касательной к перегибу с-образной кривой, называется критической скоростью закалки. Это минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит переохлаждается без распада до начала мартенситного превращения. Следовательно, при закалке сплавы необходимо охлаждать со скоростью выше критической.

Превращения закаленной стали при нагреве. Превращения при отпуске

Отпуском называют термическую операцию, заключающуюся в нагреве закаленной стали до температуры ниже ac1, с последующей выдержкой и охлаждением с заданной скоростью. В процессе нагрева происходят объемные и структурные изменения в стали. Если в дилатометре – приборе, позволяющем фиксировать изменения длинны образца в зависимости от температуры, то самописец прибора будет фиксировать горизонтальную прямую линию 1.

При нагреве закаленной стали (кривая 2) до 80-1000C изменение в длине практически не наблюдается.

Начиная с температуры 800C имеет место сокращение длины образца. Вплоть до температуры 2000C происходит так называемое 1-е превращение, при отпуске, в результате мартенсита выделяется карбид Fe2C когерентно связанный с матричным твердым раствором. При этом степень тетрогональности мартенсита уменьшается, отношение c/a - стремится к 1, но не равно ей.

При нагреве выше 2000C происходит обратное. Наблюдается прирост длины образца. В интервале температур 200-3000C происходит 2-е превращение при отпуске. В интервале этих температур аустенит остаточный превращается в отпущенный мартенсит.

3-е превращение происходит при 300-400 градусах. В этом интервале температур происходит карбидное превращение. Метастабильный карбид Fe2C превращается в стабильный, в Fe3C. Одновременно происходит срыв когерентности и обособление карбидов. Снижается и уровень внутренних напряжений.

4-е превращение протекает при температуре выше 400 град., и состоит в коагуляции карбида. Структура стали после отпуска зависит от температуры отпуска.

При температуре отпуска 300-500 град., получается тростит отпуска.

При температуре 500-600 град. – сорбид отпуска, отличающегося от аналогичных структур, полученных при непрерывном охлаждении тем, что имеет зернистую морфологию, тогда как после непрерывного охлаждения из аустенитной области - пластинчатую морфологию. При одинаковой твердости тростит и сорбит отпуска по сравнению с троститом и сорбитом, полученным при непрерывном охлаждении, имеют более высокие значения в пределах текучести и ударной вязкости.

Способы закалки

В зависимости от состава стали, формы и детали выбирают способ закалки. К основным способам закалки относятся: закалка в одном охладителе, прерывистая закалка, изотермическая закалка и различные сочетания этих способов.

Закалка в одном охладителе - это наиболее распространенный способ закалки, заключается в нагреве стали выше температур, соответствующих критической точке Ac1 и Ac3 с последующей выдержкой и охлаждением со скоростью выше критической в одном охладителе (1). В качестве охлаждающей среды для углеродистых и низколегированных сталей служит вода, легированных - масло. Некоторые высоколегированные стали закаливают на спокойном воздухе. Немаловажное значение имеет и площадь сечения детали; так углеродистые и низколегированные стали с сечением 5 мм закаливают в воде. Детали переменного сечения или сечения менее 5 мм можно закаливать и в масле, поскольку охлаждающей способности масла достаточно, для того чтобы прокалить детали тонкого сечения насквозь. В ряде случаев для снижения структурных напряжений, обусловленных фазовым наклепом, проводят закалку с подстуживанием; для этого нагретую выше соответствующей температуры деталь после выдержки подстуживают, т.е. некоторое время охлаждают на спокойном воздухе, а при подходе к температурам минимальной устойчивости аустенита (500- 550) переносят в закалочную среду тем самым снижается уровень напряжений детали при полном превращении аустенита в мартенсит. Однако осуществления закалки с подстуживанием требует большого практического опыта.

Закалка в двух средах - этот способ является некоторой разновидностью способа закалки с подстуживанием и заключается в том, что нагретую до необходимой температуры деталь, выдержанную при этой температуре, переносят в охладитель, обеспечивающий такую скорость охлаждения, которая предотвратила бы распад переохлажденного аустенита в области температур минимальной устойчивости аустенита, например в воду, а затем переносят в менее интенсивно охлаждающую среду, в которой собственно и происходит закалка(2). Такой способ закалки позволяет снизить уровень закалочных напряжений и предотвратить появление таких закалочных дефектов как, например корабление.

Струйчатая закалка - этот способ применяется в том случае, когда нет необходимости закаливать деталь на одинаковую твердость по всей поверхности. Для таких типов деталей, как зубило важно получить высокую твердость рубящей кромки при сохранении вязкого хвостовика; в этом случае инструмент, нагретый до заданной температуры, охлаждают с рабочей поверхности струями воды, тем самым разрушается "паровая рубашка" и рабочая поверхность инструмента интенсивно охлаждается.

Закалка самоотпуском - этот способ практически несет то же функциональное назначение, что и струйчатая закалка, например зубило, нагревают до заданной температуры и переносят в охлаждающую среду только рабочую часть, затем после извлечения из закалочной среды проводят выдержку на свободном воздухе в результате которой рабочая часть отпускается за счет нагрева от нерабочей, неохлажденной части. Температуру отпуска охлажденной части контролируют визуально по цветам побежалости. Закалку с самоотпуском можно проводить и другим методом, для этого деталь (инструмент) полностью подвергают закалке, а затем нагревают только нерабочую часть и за счет теплопроводности отпускается рабочая часть.

Ступенчатая закалка - этот способ является разновидностью способа закалки в двух средах(2). Однако является более эффективной с точки зрения обработки детали деталь переменного сечения. При охлаждении до температуры несколько выше точки начала мартенситного превращения необходимо выровнять температуру по всем сечениям, для этого делают выдержку в первом охладителе до выравнивания температуры, а затем переносят деталь во вторую охлажденную среду, в которой и происходит закалка(3).

Изотермическая закалка - в отличие от ступенчатой при изотермической закалке деталь помещают в охлаждающую среду с температурой несколько выше температуры начала мартенситного превращения и выдерживают в этой среде до полного завершения превращения (4). В результате изотермической закалки образуется структура - бейнит, которая по сравнению с мартенситом имеет несколько более низкую твердость и повышенную вязкость.

Закалка с обработкой холодом - после закалки в высокоуглеродистых и особенно легированных сталей в структуре сохраняется аустенит остаточный, количество которого может достигать 40%. Присутствие Aост объясняется тем, что в указанных сталях положение точек конца мартенситного превращения переходит в область отрицательных температур и охлаждающей способности закалочных сред недостаточно, чтобы достигнуть температуру Мк, поэтому детали, изготавливаемые из этих сталей при необходимости, подвергают обработке холодом, размещая их в деталях в холодильные камеры, температура в которых не ниже (-70), температура обусловлена тем, что положение точек конца мартенситного превращения ни в одной стали ниже(-70)не находится. Обработка холодом, по сути, является продолжением закалки и особенно обработка необходима для прецизионных деталей(точечных деталей). Сохранение аустенита остаточного в сталях при эксплуатации детали подобного типа может привести к превращению аустенита остаточного в мартенсит и тем самым изменению размерной точности деталей, например подшипники качения, шарики, ролики являются прецизионными деталями в подшипниках качения. Изменение объема шарика в процессе эксплуатации за счет фазового превращения может привести к заклинированию, т.о. обработка холодом применяется в качестве обработки, обеспечивающей стабилизацию размеров детали. Помимо этого обработка холодом за счет превращения остаточного аустенита в мартенсит обеспечивает и повышение специальных свойств детали, например теплостойкости (быстрорежущие стали), магнитных свойств (постоянные магниты).

Отпуск стали: отпуск является окончательной термической операцией, применяемой после закалки; это нагрев стали ниже критической точки Ас1 с последующей выдержкой и охлаждением с заданной скоростью. Различают низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий) отпуск.

Низкий отпуск

Его проводят при t>250 градусах Цельсия. Этот вид отпуска приводит к превращению мартенситной закалки в март. отпуска и практически не снижая твердости несколько увеличивает другие прочностные характеристики и отчасти ударную вязкость.

Твердость стали с содержанием углерода 0.8-1% после низкого отпуска порядка 62-64HRC. Твердость легированных сталей несколько ниже в силу сохранения в них после закалки аустенита остаточного. Низкому отпуску подвергают инструментальные стали, предназначенные для изготовления штампов, деформирующих металлы в холодном состоянии, инструмента типа: зубило, лоток, режущий инструмент, работающих при низких скоростях резания, а также детали подвергнутые цементации, ционированию.

Средний отпуск

Это вид отпуска применяют в случае необходимости получения сочетаний высокого предела упругости с прочностными характеристиками. Например: при обработке пружин, рессор средний отпуск проводят при температурах 350–500 градусах Цельсия. Структура после среднего отпуска - тростит отпуска. Твердость 40–45HRC.

Высокий отпуск

Проводят при температурах 650–680 градусах Цельсия. Структура – сорбит отпуска. Этот вид отпуска применяется для получения лучшего сочетания прочностных свойств с ударной вязкостью. Термическая обработка, заключается в закалке с высоким отпуском называется улучшением.

Основы химико–термической обработки

Под химико–термической обработкой понимают насыщение поверхности металла элементами повышающими какие–либо свойства. Например: твердость, износостойкость, морозостойкость, коррозионную стойкость.

Поверхностная обработка обеспечивает хорошее сочетание твердости поверхностного слоя детали с вязкостью сердцевины. Для обеспечения такого сочетания кроме химико–термической обработки применяют и поверхностную закалку, которая относится к разряду местной обработки. Поверхность детали нагревают пламенем ацетилено–кислородной горелки или чаще током высокой частоты(ТВЧ). Нагрев ТВЧ осуществляется в 1000 раз быстрее по сравнению со скоростью нагрева в печах или в ваннах. После нагрева следует охлаждение со скоростью выше критической.

Нагрев ТВЧ обеспечивает прогрев до температур выше критической только поверхностного слоя. Сердцевина детали остается не прогретой => после закалки на поверхности формируется структура мартенсита, тогда, как в сердцевине детали структура характерна структуре отожженной стали. В отличие от поверхностной закалки ХТО имеет ряд преимуществ:

1.ХТО можно подвергать детали независимо от их размеров или форм.

2.При ХТО достигается большая разница в свойствах поверхности и серцевины.

3.После ХТО можно исправить структуру(например: изменить зерно) последующей термической обработки.

Процесс ХТО складывается из 3–х составных:

1.распад молекул газа с образованием активных атомов насыщенного элемента. Это диссоциация.

2.Поглощение атомов насыщенного элемента поверхностью детали–абсорция.

3.Диффузия атомов насыщенного элемента в глубь металла.Различают:

a) Самодиффузию – происходит перескок атомов основного металла в собственность кресталической решетки. Он не сопровождается изменением концентрации вещества.

б) Гедротиффузию–происходит перемещение атомов чужеродного элемента к кресталлической решетке основного металла, сопровождается изменением концентрации диффундизующего элемента от поверхности в сердцевине в сторону уменьшения.

Вид ХТО определяется названием диффузирующего элемента. Если насыщают поверхность детали углеродом, процесс называют цеминтацией, азотом–ахотированием и т.д. совместное насыщение углеродом и азотом –ционированием.

Цементация

Процесс насыщения поверхности изделия углеродом. Цементация повышает твердость и износостойкость поверхности детали при сохранении вязкости сердцевины. Различают твердую и газовую цементацию. При твердой цементации в ящик заполненный науглеражущим веществом(карбюризатором) и специальными добавками размещают детали. В качестве карбюризатора используют древесный уголь. пРи температуре процесса(900-950 градусах Цельсия) кислород воздуха, расположенного между кусочками угля взаимодействует с углеродом с образования окиси углерода СО. Именно СО, а не СО2 т.к. процесс идет при недостаточном колличестве кислорода. При контакте окиси углерода с металической поверхностью происходит реакция диссоциации при которой окись углерода распадается на СО2+реакция диссоциации с образованием активных атомов углерода, кат. диффунд. 2СО2->СО2+С

поверхность металла. В качестве добавок к карбюризатору используют соли: СО3, Na2CO3, K2CO3, являющиеся дополнительным поставщиком окиси углерода.

Процесс твердой цементации является мало производительным и занимает не один десяток часов. Это связанно с тем, что значительная часть времени тратится на прогрев ящика до заданной температуры т.к. корбюризатор является не теплопроводным веществом.

Эффективнее способ газовой цементации

В этом случае и/з камеру зазмещенные в ней детали пропускают науглераживающий газ или СО или, что чаще предельные углеводороды(метан, этан, пропан, гексан, октан, нонан, декан). В производстве чаще свего используется природный газ, содержащий до 93-95% группы СН4. При цементации тщательно регломентируют подачу газа. В случае избытка количества газа на поверхности детали оседает слой сажи т.к. не весь углерод может усваиваться поверхностью детали. Температуру цементации не выбирают ниже АС1 т.к. ферит практически не растворяет углерод. Процесс осуществляют выше АС3, а именно при температурах 900–930 градусах Цельсия. После цементации структура по сечению детали не однородна. На ковкости структура соответствующая структуре заэвтектоидной стали. Далее структура эвтектоидной стали(перлит), а затем структура доэтектоидной стали(Ф+П). За толщину слоя принимают толщину заэвт. эвт. и половину доэвт. зоны. Окончательные свойства формируются после термической обработки. Термообработка обеспечивает измельчение зерна неизбежно выросшего в процессе выдержки при высокой температуре. Устранение цементной сетки.

Термообработка заключается в закалке с температурой 820–840 градусах Цельсия и низком отпуске при температурах 60–64HRC, легированных 57–60HRC.

Маленькая твердость после ХТО легированных сталей обусловлена повышенным содержанием в структуре аустенита остаточного, для утранения которого после закалки, иногда проводят обработку холодом.

Для цементироания применяют стали с низким содержанием углерода 0.15–0.25%.

3. Классификация по составу

По составу легированные стали классифицируются в соответсвии с названием основных легирующих элементов(например хромо–никелевых, хромо–никель вольфрам и…,)

4. Классификация по названию:

а)Конструкционные стали, которые до потребителя подвергаются термической обработки. В связи с этим их подразделяют на цементуемые(подвергаемые цементированию и улучшению, подвергаемые закалке и высокому отпуску).

Несколько в стороне, но тоже относятся к конструкционным, которые у потребл. тело не подвергаются термообработке.

б)Инструментальные стали–стали предназначенные для изготовления режущего инструмента(углеродистые, легированные, быстро–режущие, штамповые).

в)стали и сплавы с особыми свойствами–это материалы с каким–либо ярко выраженным свойством(например: жаростойкие, коррозиционно стойкие, магнитные, электротехнические м т.д.).

Маркировка легированных сталей

Легированные стали маркируют цифрами и буквами. Первая цифра указывает на процентное содержание углерода в сотых долях. Следующей далее буквой указывают на прочность элемента, который образуется этой буквой. Если за буквой стоит цифра она обозначает в целых проценты. Если цифры нет, то содержимое этого элемента порядка 1%.

Буква: А если в средине маркировки, то N, в конце маркировки, то сталь улучшенного качества.

Б-Nb(необий), В-W, Г-Mn, Д-Cu, К-Co(кобаоьт)

М-Mo(нолептен), Н-Ni, П-P

P если в средине маркировки В(бор), если в начале, то указывает на то, сто сталь быстрорежущая, инструментальная.

С-Si(кремний), Т-Ti(титан), Ф-V(ванадий), Х-Cr(хром), Ч-РЗМ(редкоземельный)

СИ если в начале маркировки, то указывает, что сталь торикоподминниковая, если в средине–Mg(магний), Ю-Al

18ХГТ прибл. равно 0.18 углерода, порядка 1% хрома, 1% магния, 1% титана остальное железо.

20Х2НЧВА прибл. равно 2.0% углерода, 2% хрома, 4% никеля, 1%-W углеродного качества.

Цементуемые стали

К ним относятся стали с содержанием углерода от 0.1 до 0.25%. Эти стали подвергают цементации с последующей закалкой и низким отпуском при температуре порядка 150-200 градусов Цельсия. В зависимости от габаритов детали для их изготовления могут использоваться сталь 10–сталь 25 или лигидов. Однако основным показателем, который отличает цементуемые стали от других является содержание углерода. После цементной и термической обработки твердость цементованного слоя составляет около 58–62HRC.

Выбор температуры нагрева закалки

Температура нагрева под закалки выбирается исходя из состава стали. Нагрев осуществляется выше критических точек A1 или A3. Для доэвтектоидных сталей на 30-50 град. Выше критической точки Ac3 линия GS. После нагрева и выдержке следует охлаждение со скоростью выше критической, результатом такого охлаждения является структура мартенсита. А в сталях более 0.5% и до 0.8% помимо мартенсита в структуре сохраняется аустенит остаточный. Это вызвано тем, что положение точки конца мартенситного положения снижается в область отрицательных температур. Для доэвтектоидных сталей, нагрев под закалку выше Ac1. (PSK) – линия не проводиться. Последнее вызвано тем, что после закалки в структуре стали, будет присутствовать фирит. Фирит является наиболее мягкой структурой составляющей, что приводит к возникновению мягких пятен. Этот дефект получил название пятнистой твердости. Фирит располагается между иглами мартенсита, который образовался из аустенита. Температура нагрева для заэвтектоидной стали напротив, осуществляется на 30-50 град. Выше Ac1. Это обусловлено тем, что после закалки в структуре стали, сохраняется цементит, который является наиболее твердой структурной составляющей, дополнительно повышает прочностные св-ва. Структура заэвтектоидных сталей после закалки: мартенсит, цементит и аустенит остаточный. Причиной, по которой заэвтектоидные стали, не нагревают выше Acm(линия SE) является то, что эта линия располагается при более высоких температурах и в результате происходит рост зерна аустенита, а это в свою очередь приводит к получению после закалки крупно-игольчатого мартенсита. Крупно-игольчатый мартенсит по сравнению с мелко-игольчатым обладает пониженным значением ударной вязкости.

Время нагрева подзакалки

Нагрев деталей приводят в печах, в печах-ваннах индукционным нагревом, пламенем ацетиленокислородной горелки. В качестве нагревающей среды в печах-ваннах используют соли, смесь солей (BaCl2 и NaCl). Ванны применяют для нагрева до температур 1400-1450град. Общее время нагрева складывается из времени нагрева до заданной температуры и времени требуемой для прогрева детали. При нагреве в печах (камерных) вследствие контакта с окислительной средой (воздух) происходит обезуглероживание поверхностного слоя или окисление поверхностной детали. С целью предотвращения появления этих дефектов, нагрев проводят в кипящем слое, который представляет собой частицы …,через который пропускают горячий воздух. В кипящий слой помещают обрабатываемые детали.

Скорость охлаждения при закалке

Охлаждать при закалке следует с не одной скоростью. Важно чтобы в 1-й момент охлаждения скорость была замедлена, замедлена и в последующий момент. Особенно при протекании мартенситного превращения. Такая не равномерная скорость охлаждения выбирается из тех соображений, что С образные кривые имеют максимум в районе температур 500-560град. Поэтому аустенит, переохлажденный в районе этих температур имеет минимальную устойчивость. Выше и ниже перегиба С образных кривых аустенит более устойчив и скорость охлаждения должна быть меньше. При температуре мартенситного превращения замедленное охлаждение нужно, для того чтобы снизить напряжение, которое вызывается структурными превращениями. В качестве закалочных средств используют воду, водные растворы, масло. В воде подвергают закалке углеродные стали. В масле – легированные. Некоторые легированные стали, закаливают на спокойном воздухе. Выбор типа охлаждения среды зависит от критической скорости закалки конкретной стали. Чем ниже скорость закалки, тем выбирают охладитель менее интенсивно охлаждающий. При погружении нагретой детали, охлаждающую среду выделяют 3 участка или стадии охлаждения, отличающихся интенсивностью охлаждения.

1-я стадия – возникает в момент погружения детали. Вокруг детали паровая рубашка. На этой стадии интенсивность не велика.

2-я стадия – происходит разрушение паровой рубашки, и контакт детали с окружающей средой на поверхности детали охлаждающаяся среда кипит. Второй период получил название пузырчатого кипения. Это наиболее интенсивно охлажденная сталь.

3-я – температура детали становится соизмеримой с температурой охлаждающей среды. Начинается охлаждение детали за счет конвективного теплообмена. Скорость на этой стадии минимальна. Вода является наиболее охлаждающей средой, но воде присущ ряд недостатков:

1.Слишком быстрое охлаждение детали, в области температур мартенситного превращения и за счет этого может возникнуть термическое короблению металлов и трещинообразованию.

2.Вода имеет узкий интервал в стадии пузырчатого кипения. В стадии, на которой происходит наиболее интенсивное охлаждение.

3.Охлаждающаяся способность воды резко уменьшается с повышением ее температуры.

С целью расширения интервала пузырчатого кипения в воду добавляют различные соли или кислоты. Масло по сравнению с водой имеет низкую скорость охлаждения, поэтому его используют при закалке легированных сталей. Однако масло имеет существенный недостаток - –низкую температуру воспламенения.

Закаливаемость и прокаливаемость

Под закаливаемостью понимают способность стали к повышению твердости

Под прокаливанием понимают способность стали закаливаться на определенную глубину.

Глубина закаленной зоны является критерием прокаливаем ости. Обычно детали имеют более высокую твердость на поверхности и меньшую в сердцевине. Это объясняется теплопроводностью стали. Однако большинство деталей должны прокаливаться насквозь. Для обеспечения сквозной прокалки и контроля на ней был введен термин – критический диаметр. Под которым понимают максимальную размерность сечения детали, которая прокаливается насквозь. Для этого, чтобы закалить деталь насквозь в данном охладителе, необходимо чтобы критический диаметр Dкр больше диаметра сечения детали.

Наклёп, возврат и рекристаллизация

При пластической деформации металлов происходит изменение формы и размеров кристалла, изменение его пространственной кристаллографической ориентации, изменение внутреннего строения зерен.

Под действием нагрузки зерна вытягиваются в направлении деформации. Одновременно происходит ориентация кристаллографических плоскостей, относительно кристаллических направлений.. Формируется так называемая текстура (кристаллографическая текстура). Чем выше деформация, тем развитее становится текстура. В процессе пластической деформации увеличивается и количество дефектов кристаллического строения таких, как вакансии и дислокации. Плотность дислокации увеличивается с 106=108 см –2 до 1011-1012 см-2. Для некоторых металлов в процессе пластической деформации формируется ячеистая структура. Дислокация останавливается в определенных местах образуются границы ячеек, внутри которых находятся области практически свободные от дислокации. При больших степенях деформации плотность дислокации на границах возрастает. Границы становятся четкими – это так называемые субзернами, т.о. при пластической деформации происходит образование текстуры, увеличивается количество дефектов кристаллографического строения. Происходит увеличение угла разъориетации между отдельными ячейками (для некоторых металлов).