Методичка Материаловедение

9.3 Общие положения

Сталь, в которой кроме железа, углерода и постоянных примесей (Si, Mn, S, P) содержатся легированные элементы, специально введенные для получения требуемой структуры и свойств, называется легированной.

Введенные в сталь элементы, распределяются между фазами в зависимости, прежде всего, от их отношения к углероду. Некарбидообразующие элементы – никель, кремний, алюминий и другие не вступая во взаимодействие с углеродом, находятся преимущественно в твердом растворе Fe-, образуя легированный феррит. Карбидообразующие элементы – хром, ванадий, молибден, титан и другие – находятся преимущественно в карбидах. Прежде чем приступить к изучению микроструктур, необходимо ознакомиться со структурными составляющими, которые образуются в легированных сталях:

а) легированный феррит – твердый раствор углерода и легирующих элементов в -Fe (ОЦК решетка). Легированный феррит отличается от обычного тем, что в нем атомы железа частично замещены атомами легирующих элементов. По микроструктуре легированный феррит ничем не отличается от обычного феррита, т.е. представляет собой однородные зерна с ясным очертанием границ. Однако механические свойства легированного феррита могут существенно отличаться от свойств нелегированного феррита;

б) легированный цементит – твердый раствор легирующих элементов в цементите (Fe, Cr)₃С. Легированный цементит более тверд и дисперсен чем нелегированный;

в) специальные карбиды – химическое соединение легирующих элементов с углеродом и с частичным замещением атомов элементов железом. При достаточно большом содержании углерода и легирующих элементов в стали могут образовываться специальные карбиды со сложной кристаллической решеткой типа (Cr, Fe)₇C₃; (Cr, Fe)₂₃C₆; (Fe, Mo)₂₃C₆ и другие. Эти карбиды при нагреве достаточно легко растворяются в аустените. Карбиды, имеющие простую кристаллическую решетку, например: W₂C; WC; VC; TiC с трудом растворяются в аустените при высоких температурах. По микроструктуре специальные карбиды, как правило, не отличаются от цементита. Поэтому для выявления состава карбидов применяются специальные реактивы и методы травления;

г) легированный аустенит – твердый раствор углерода и легирующих элементов в -Fe (ГЦК решетка). Легированный аустенит может существовать в высоколегированных сталях при комнатной температуре. Структурно под микроскопом он представляет собой светлые однородные зерна с видимым очертанием их границ, часто с наличием линий сдвига или двойников.

В настоящей работе изучаются микроструктуры конструкционных, инструментальных легированных сталей и сталей с особыми свойствами с помощью оптического микроскопа МИМ – 7.

Исследуемые стали подвергнуты различным видам термической обработки.

Представителем конструкционных сталей является углеродистая сталь перлитного класса 30ХГСА (~ 0,3% C; ~1% Cr; ~1% Mn; ~1% Si), которая представлена в двух состояниях: после отжига (рис. 9.1), где светлые зерна являются легированным ферритом, а темные – перлит, и после типичной для этой стали термической обработки – улучшения (закалки в масле и последующего высокотемпературного отжига). Структура в улучшенном состоянии стали 30ХГСА показана на рис. 9.2 и представляет собой сорбит отпуска.


Рис. 9.1 Сталь 30ХГСА; отжиг при 860⁰ С. Перлит и феррит. х450	Рис. 9.2 Сталь 30ХГСА; закалка при 860⁰ С в масле и отпуск при 520⁰ С. Сорбит отпуска. х450

Знакомство с особенностями структур легированных инструментальных сталей ведется на примере быстрорежущей стали Р18 (0,7 – 0,9% С; ~18% W; 4 - 4,5% Cr; 1 – 1,2% V). Эта сталь отличается высокой красностойкостью, т.е. способностью сохранять высокую твердость и режущие свойства при нагреве до температур ~ 600⁰ С и выше. Такое свойство сталь приобретает благодаря сложному легированию карбидообразующими элементами и специальной термической обработке. Структура литой быстрорежущей стали Р18 (рис. 9.3) состоит из перлита (темные поля), ледебурита (участки скелетообразного строения) и карбидов (светлые поля). Наличие в структуре быстрорежущих сталей ледебуритной эвтектики (механическая смесь перлита и карбидов) и карбидов позволяет отнести их к сталям ледебуритного или карбидного класса, так как в их структуре 25% составляют карбиды. Для разрушения хрупкой карбидной эвтектики сталь подвергают 16-ти кратному обжатию и последующему отжигу. После отжига производится изготовление инструмента, который затем подвергается термической обработке. Термическая обработка стали Р18 заключается в закалке от температур 1260 – 1280⁰ С и последующем 3-х кратном отпуске при температуре 560⁰ С. Высокая температура закалки связана с необходимостью наиболее полного растворения карбидов в аустените, в результате чего образуется высоколегированный аустенит, превращающийся затем в легированный мартенсит, устойчивый против распада при последующем нагреве и обеспечивающий таким образом высокую красностойкость стали. Структура закаленной стали состоит из мартенсита, карбидов (~ 17%) и остаточного аустенита (рис. 9.4). Для превращения остаточного аустенита в мартенсит отпуска производится трехкратный отпуск. Структура стали Р18 после окончательной термической обработки показана на рис. 9.5 и состоит из мартенсита отпуска (основной серый фон) и карбидов (светлые зерна). Твердость такой структуры – HR_c 65-66.


Рис. 9.3. Быстрорежущая сталь Р18 литая. Перлит, ледебурит и карбиды. х450	Рис. 9.4. Быстрорежущая сталь Р18 после закалки с 1280⁰ С в масле. Мартенсит, карбиды и аустенит остаточный. х450

Рис. 9.5. Быстрорежущая сталь Р18 после закалки с 1280⁰ С в масле и трехкратный отпуск при 560⁰ С. Мартенсит и карбиды. х450

Представителем сталей и сплавов с особыми свойствами являются нержавеющие (коррозионностойкие) стали. Основным легирующим элементом этих сталей является хром. При введении в сталь хрома свыше 12,5% сталь становится коррозионностойкой. В зависимости от содержания хрома стали относятся к ферритному классу (Х28), полуферритному (Х17) или мартенситному (Х13). Эти стали обладают высокой кислотостойкостью и применяются в химической промышленности. На рис. 9.6 показана структура хромистой нержавеющей стали Х28 состоящая из зерен легированного феррита.

Кроме хромистых нержавеющих сталей имеется большая группа хромо-никелевых нержавеющих сталей, которые по своей структуре относятся к аустенитному классу. Структура такой стали Х18Н9Т показана на рис. 9.6. Присутствие в этой стали 18% хрома обеспечивает ее коррозионную стойкость, а 8 – 11% никеля приводит сталь к получению аустенитной структуры при комнатной температуре. Титан в количестве 1% вводится в эту сталь для устранения межзеренной коррозии. Таким образом, структура стали, показанная на рис. 9.7, представляет собой зерна хромоникелевого аустенита. Сталь такого типа термической обработкой не упрочняется, закалка от температуры 1080⁰ С назначается для получения однородного твердого раствора хрома, никеля и титана в -Fe. Упрочнение этой стали может быть достигнуто путем холодной пластической деформации (наклепа).


Рис. 9.6. Нержавеющая сталь Х28. Отжиг при 780⁰ С. Хромистый феррит. х450	Рис. 9.7. Нержавеющая сталь Х18Н9Т. Закалка с 1080⁰ С в воде. Хромоникелевый аустенит. х450

9.4 Порядок выполнения работы

9.4.1 Для выполнения работы студентам предоставляется коллекция шлифов легированных сталей различных классов в травленном состоянии, таблица 9.1 с указанием марки стали, термической обработки, а также альбом фотографий микроструктур изучаемых сталей.

9.4.2 Студенты должны изучить структуры каждой марки стали с помощью оптического микроскопа МИМ – 7 и альбома фотографий микроструктур этих сталей и зарисовать микроструктуру в табл. 9.1, указав пи этом все структурные составляющие и механические свойства, полученные в результате термической обработки.

При изучении структур легированных сталей особое внимание необходимо обратить на влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей, а также способ и режимы термической обработки.

9.5 Отчет о работе

9.5.1 Название, цель работы и задание.

9.5.2 Порядок выполнения работы с заполнением табл. 9.1, должны быть зарисованы и описаны структуры изучаемых легированных сталей с указанием термической обработки, ее режимов и механических свойств, получаемых в результате ее проведения.

9.5.3 Ответ на индивидуальный вопрос.

Таблица 9.1

Микроструктуры легированных сталей

№	Марка стали	Химический состав, %	Микроструктура	Описание	Термообработка	Свойства	Увеличение
1	2	3	4	5	6	7	8
1	30ХГСА				закалка с 860⁰ С в масле
2	Р18				литая
3	Р18				закалка с с1280⁰ С

Продолжение табл. 9.1

1	2	3	4	5	6	7	8
4	Р18				закалка и 3-кратный отпуск
5	Х18Н9Т				закалка с 1080⁰ С в воде

9.6 Контрольные вопросы

1. Какие стали называются легированными? Какие свойства изменяют легирующие добавки? Приведите примеры.

2. Какие стали относятся к низколегированным? Где их применяют? Какие существуют методы их упрочнения?

3. Чем объяснить хорошую обрабатываемость резания стали, легированной свинцом, кальцием и серой?

4. Какие легирующие элементы повышают коррозионную стойкость стали и почему?

5. Какую термическую обработку проходят стали 40Х, 40ХН и 30ХГС для обеспечения высокой конструктивной прочности?

6. Какие требования предъявляются к пружинным сталям? Назовите марки пружинных сталей.

7. Какие требования предъявляются к шарикоподшипниковым сталям? Назовите марки этих сталей.

8. В каком виде находятся легирующие элементы в легированных сталях?

9. Какой термической обработке подвергаются быстрорежущие стали?

10. Какую термическую обработку проходят аустенитные коррозионностойкие стали?

11. Назовите основные преимущества и недостатки мартенситно-стареющих сталей. Каковы области их применения?

12. Какие преимущества имеет закалка в масле по сравнению с закалкой в воде?

13. Какие легирующие добавки увеличивают износостойкость сталей? Приведите марки легированных сталей с высокой износостойкостью и область их применения.

14. Какие стали называются жаропрочными? Приведите марки этих сталей и область их применения.

15. При закалке инструментальных сталей, особенно легированных, наряду с мартенситом в структуре остается повышенное количество осталостного аустенита. Как можно избавиться от остаточного аустенита?

Содержание