Материаловедение и технологические процессы машиностроительного производства: Лабораторный практикум

Голосов: 48

Лабораторный практикум состоит из 16 лабораторных работ по материаловедению и 21 лабораторной работы по технологическим процессам машиностроительного производства и технологии конструкционных материалов. Каждая работа включает теоретическое изложение материала, описание методики проведения работы и контрольные вопросы для самоподготовки. Лабораторный практикум предназначен для выполнения лабораторных работ по дисциплинам: "Материаловедение", "Технологические процессы машиностроительного производства" и "Технология конструкционных материалов".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    и равномерной твердости, повышает жаропрочность, жаростойкость, кор-
розионную стойкость.
      Никель (вводят в количестве от I % до 5 %) наиболее резко снижает
порог хладноломкости и увеличивает сопротивление распространению
трещины, увеличивая пластичность и вязкость. Кроме того, никель повы-
шает электросопротивление.
      Марганец (вводят в количестве до 1,5 %) заметно повышает предел те-
кучести стали, однако делает сталь чувствительной к перегреву, содействует
росту зерна. Содержание в стали хрома или марганца до 1 % практически не
влияет на порог хладноломкости. Однако при больших их концентрациях по-
рог хладноломкости повышается. Вместе с марганцем вводят карбидообра-
зующие элементы для измельчения зерна.
      Кремний (количество ограничивают 2 %) сильно повышает предел те-
кучести, несколько затрудняет разупрочнение стали при отпуске; снижает
вязкость и повышает порог хладноломкости при содержании свыше 1 %.
      Вольфрам и молибден - дорогие и дефицитные карбидообразующие
элементы, которые большей частью растворяются в феррите. Вольфрам (0,8-
1,2 %) уменьшает величину зерна, повышает твердость и прочность, улучша-
ет режущие свойства при повышенных температурах.
      Молибден (0,2-0,4 %) действует также, как и вольфрам, повышает ста-
тическую, динамическую и усталостную прочность стали, а также повышает
коррозионную стойкость.
      Легирование стали в небольших количествах (от 0,05 до 0,15 %) вана-
дием, титаном, ниобием и цирконием, образующих труднорастворимые в ау-
стените карбиды, измельчает зерно, что понижает порог хладноломкости.
      Бор в микродозах (0,002-0,005 %) вводят для увеличения прокаливае-
мости. Так как он оказывает существенное влияние на свойства стали, то он
записывается в маркировку стали (например, 20ХГР содержит 0,001-0,005 %
бора).

     10.4 Маркировка легированных сталей

      Маркировка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр,
обозначающих ее химический состав. В соответствии со стандартной марки-
ровкой основные легирующие элементы обозначаются буквами: А - азот, Б -
ниобий, В - вольфрам, Г - марганец, Д - медь, Е - селен, К - кобальт, Н -
никель, М - молибден, П - фосфор, Р – бор; С - кремний, Т - титан, Ф - вана-
дий, Х - хром, Ц - цирконий, Ч - редкоземельные элементы, Ю – алюминий.
      В конструкционных сталях две цифры в начале марки обозначают со-
держание углерода в сотых долях процента (например, в стали 3ОХН3А око-
ло 0,30 % углерода); в высокоуглеродистых инструментальных сталях - в де-
сятых долях процента (сталь 9ХС - 0,9 % углерода). Если сталь имеет 1,0 %
углерода и выше, то цифра, характеризующая содержание углерода, опуска-
ется (сталь Х12М). Цифры, идущие после буквы, указывают на примерное


                                                                        111


содержание данного легирующего элемента. При содержании элемента менее
1,0-1,5 % цифра отсутствует (например, сталь ХВГ), за исключением бора и
ванадия.
      Быстрорежущие стали принято маркировать буквой Р, после которой
идет цифра, указывающая на содержание главного легирующего элемента
таких сталей - вольфрама в процентах (например, Р9), среднее содержание
кобальта обозначают цифрой после буквы К, ванадия - после буквы Ф
(Р6К5Ф2) и т.д.
      В шарикоподшипниковых сталях вначале маркировки стоит буква Ш, а
содержание хрома указывается в десятых долях процента (ШХ15).
      Автоматные стали маркируют буквой А, после которой следует
цифра, указывающая среднее содержание углерода в сотых долях процен-
та, при повышенном содержании в стали марганца в конце марки добавля-
ется буква Г (А40Г).
      Допускаются нестандартные обозначения легированных сталей и
сплавов, в частности, опытные марки стали, выплавляемые на заводе
«Электросталь» обозначаются «Э» и буквами «И» - исследовательская,
«П» – пробная и порядковым номером, например ЭИ612, ЭП658.
      Примеры обозначения и расшифровки некоторых марок сталей:
      1) 40ХГТР - сталь конструкционная низколегированная, качественная,
содержит 0,38-0,45 % углерода; 0,8-1,1 % хрома; 0,7-1,0 % марганца, 0,03 –
0,09 титана, остальное - железо и технологические примеси.
      2) ХВГ - сталь инструментальная низколегированная, содержит 0,9-
1,05 % углерода; 0,9-1,2 % хрома; 1,2-1,6 % вольфрама; 0,8-1,1 % марган-
ца, остальное - железо и технологические примеси.
      3) ШХ15СГ - сталь шарикоподшипниковая, качественная, содержит
0,95-1,05 % углерода; 1,3-1,65 % хрома; 0,4-0,65 % кремния; 0,9-1,2 %
марганца, остальное - железо и технологические примеси.
      4) Р6М5 - сталь быстрорежущая, инструментальная, качественная,
содержит около 1 % углерода, 3,8 – 4,4 % хрома, 5,5 – 6,6 % вольфрама,
5,0 – 5,5 % молибдена, 1,7 – 2,1 % V, остальное - железо и технологиче-
ские примеси.

      10.5 Классификация легированных сталей

      Легированные стали классифицируют по химическому составу, по
назначению и структуре.
      В зависимости от наличия тех или иных легирующих элементов ста-
ли подразделяются на хромистые, хромоникелевые, хромоникельвольф-
рамовые, марганцовистые, кремнистые и многие другие. По количеству
введенных элементов их подразделяют на низколегированные, среднеле-
гированные, высоколегированные.
      Стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов не
превышает 2,5 % , относятся к низколегированным, содержащие 2,5-10 %
- к легированным, более 10 % - к высоколегированным.

112


      По назначению легированные стали подразделяются на группы:
            1) конструкционные: строительные низколегированные, цемен-
      туемые, улучшаемые (среднеуглеродистые, 0,3-0,5 % углерода,
      подвергаемые закалке и отпуску), высокопрочные, шарикоподшип-
      никовые, рессорно-пружинные и другие;
            2) инструментальные: для режущих инструментов, для изме-
      рительных инструментов, штамповые;
            3) стали и сплавы с особыми свойствами: нержавеющие, жа-
      ростойкие, жаропрочные, с особыми магнитными и электрическими
      свойствами и т.д.
      Легированные стали классифицируют по структуре в равновесном
(отожженном) состоянии и по структуре в нормализованном состоянии.
По структуре в равновесном состоянии стали с определенной степенью
условности подразделяются на следующие классы: перлитный, лебедурит-
ный (карбидный), ферритный, аустенитный и феррито-аустенитный. Клас-
сификация сталей в нормализованном состоянии производится по струк-
туре образцов небольшого сечения, охлажденных после нагрева выше
критических точек на воздухе. В основу такой классификации положено
влияние легирующих элементов на диаграмму изотермического распада
переохлажденного аустенита и температуру начала и конца мар-
тенситного превращения.
      По структуре в нормализованном состоянии стали подразделяются
на классы - перлитный, мартенситный и аустенитный. Кроме того, могут
быть стали аустенитно-мартенситного (переходного), мартенсито-
ферритного класса и другие.
      Перлитные стали после отжига содержат в структуре или только
перлит или, кроме него, еще феррит (доэвтектоидные стали) или вторич-
ные карбиды (заэвтектоидные стали). Стали перлитного класса содержат
сравнительно небольшое количество легирующих элементов.
      В перлитных низколегированных сталях после нормализации полу-
чается структура перлитного типа (перлит, сорбит, троостит) с возмож-
ными включениями феррита у доэвтектоидных и цементита у заэвтекто-
идных сталей. К перлитному классу относится большинство марок конст-
рукционных (20Х, 30ХГСА, ШХ15 и др.) и инструментальных сталей
(9ХС, ХВГ и др.).
      При содержании легирующих элементов примерно 4-10 % С - образ-
ные кривые на диаграмме распада аустенита сдвигаются вправо на-
столько, что после нормализации структура стали получается преимуще-
ственно мартенситная. Поэтому такие среднелегированные стали отно-
сятся к мартенситному классу.
      Сталями мартенситного класса являются некоторые конструкцион-
ные (18Х244ВА, 38ХНЗМФА и др.), хромистые нержавеющие (30X13,
20X13 и др.), жаропрочные (15Х11МФ, 40Х9С2) и другие стали.
      Легированные стали перлитного класса в отличие от простых угле-
родистых выгодно отличаются тем, что для получения мартенситной


                                                                  113


структуры могут закаливаться в масле, тогда как углеродистые стали
должны закаливаться в воде. Резкое охлаждение при закалке углероди-
стых сталей ведет к короблению деталей.
      Самыми лучшими в этом отношении являются стали мартенситного
класса. В них мартенсит образуется при закалке на воздухе. Коробление
в этом случае наименьшее. Кроме того, с увеличением содержания леги-
рующих элементов увеличивается прокаливаемость, что позволяет произ-
водить упрочнение путем закалки и отпуска изделий больших сечений.
      У простых углеродистых сталей прокаливаемость очень низкая, так
для стали У10 прокаливаемость составляет примерно 10 мм; у легиро-
ванных сталей перлитного класса прокаливаемость умеренная, а у ста-
лей мартенситного класса - большая.
      Как указывалось выше, стали мартенситного и перлитного классов
в равновесном состоянии могут быть доэвтектоидными, эвтектоидными и
заэвтектоидными в зависимости от содержания углерода. Однако в связи
с тем, что все легирующие элементы сдвигают влево точку S (указываю-
щую содержание углерода в эвтектоиде) и точку E (указывающую макси-
мальную растворимость углерода в аустените) диаграммы "Железо-угле-
род", эвтектоидная концентрация у легированных сталей всегда меньше,
чем 0,8 %. Поэтому у отожженных доэвтектоидных легированных сталей,
при равном с углеродистыми сталями содержании углерода, площадь, за-
нятая перлитом на микрошлифе, оказывается всегда больше, чем у угле-
родистых.
      Ледебуритные стали - это инструментальные стали с высоким со-
держанием углерода и карбидообразующих элементов (Cr, W, Mo и др.),
например, Р9, Х12М. После литья структура таких сталей состоит из
ледебурита, перлита и вторичных карбидов. При ковке крупные ледебу-
ритные (первичные) карбиды раздробляются на более мелкие.
      В отожженном после ковки состоянии структура стали состоит из
сорбитообразного перлита, первичных (более крупных) и вторичных (бо-
лее мелких) карбидов, общее количество которых может достигать 30-
35 %. Поэтому стали иногда называют карбидными.
      В нормализованном состоянии многие ледебуритные стали являются
сталями мартенситного класса или сталями перлитного класса. Однако
на практике классификация по структуре в нормализованном состоянии
для ледебуритных сталей используется редко.

      10.6 Взаимодействие легирующих элементов с углеродом и железом

     Структура высоколегированных сталей зависит от типа легирующих
элементов, их количественного соотношения между собой и содержания
углерода в стали.
     Легирующие элементы по взаимодействию с углеродом разделяются
на некарбидообразующие Ni, Со, Si, В, Al и другие, карбидообразую-
щие Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Zr, Ti (элементы перечислены в порядке воз-


114


растания их карбидообразующей способности). Карбидообразующие эле-
менты могут растворяться в цементите или образовывать собственные
более стойкие и твердые карбиды, чем цементит.
     Рассмотрим характер взаимодействия легирующих элементов с же-
лезом. Существуют два взаимно различных типа такого взаимодействия.
     Равновесные температуры A3 и A4 для чистого железа равны соответст-
венно 911 °С и 1392 °С. В интервале указанных температур устойчивая мо-
дификация Feγ с ГЦК решеткой. Никель, марганец, кобальт и другие пони-
жают температуру A3 и повышают температуру A4. В сплавах железа с этими
элементами γ - область "открывается", т.е. в определенном интервале темпе-
ратур существует неограниченная растворимость компонентов в твердом со-
стоянии - твердые растворы с ГЦК решеткой. При этом температура A3 при
определенной концентрации добавки понижается ниже нуля.
     В сплавах с концентрацией добавки, равной или превышающей кон-
центрацию, соответствующую точке М, ГЦК решетка устойчива при тем-
пературе 20-25 °С (рисунок 10.1 а). Такие сплавы называют аустенитными
сталями. Таким образом, аустенитом называют не только твердый раствор
углерода в Feγ, но и любые твердые растворы на основе Feγ.




     Рисунок 10.1 - Схемы диаграмм "железо - легирующий элемент"

     Если сталь легировать элементами, расширяющими область сущест-
вования аустенита (аустенизаторами), Ni, Mn, Со др., то при определен-
ном их содержании можно получить аустенитную структуру для всех
температур твердого состояния выше 20 ºС.
     Cr, Мо, W, V, Ti, Si и другие элементы повышают температуру A3
и понижают температуру A4. В этом случае температурный интервал ус-
тойчивости аустенита уменьшается и соответственно расширяется темпе-
ратурный интервал устойчивости Feα. Все перечисленные элементы обра-
зуют с железом диаграмму с "замкнутой" γ - областью (рису-
нок 10.1 б).
     Концентрация, соответствующая точке N, для большинства элемен-
тов невелика (до 1,5 %), лишь для хрома аустенитная область простира-


                                                                      115


ется до 12 %. Из перечисленных элементов, дающих "замкнутую" об-
ласть, только Cr и V не образуют с железом промежуточных фаз. Наблю-
дается неограниченная растворимость хрома и ванадия в железе с ОЦК
решеткой.
      Остальные легирующие элементы, замыкающие область, образуют с
железом промежуточные фазы; поэтому при определенных концентрациях
добавки на диаграммах появляется линия, ограничивающая растворимость,
правее которой расположены двухфазные области.
      Однофазные сплавы с ОЦК решеткой, устойчивой при всех темпера-
турах, вплоть до солидуса, называют ферритными сталями. Таким образом,
ферритом называют не только твердый раствор углерода в Feα, но и любые
твердые растворы на основе Feα, При достаточно большом легировании
малоуглеродистой стали хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием и
другими (ферризаторами), она во всем диапазоне температур твердого со-
стояния будет иметь структуру феррита и относится к ферритному классу.
      Высоколегированные стали одними только аустенизаторами обычно
не легируют. Как правило, в них содержится то или иное количество ком-
понентов ферризаторов, прежде всего хрома. При определенном их соче-
тании сталь будет аустенитно-ферритного класса, аустенитно-мартенсит-
ного и мартенситно-ферритного классов.

      10.7 Характеристика основных структурных классов сталей

      Стали ферритного, аустенитного, аустенитно-ферритного, аустенит-
но-мартенситного и мартенситно-ферритного классов относятся в боль-
шинстве своем к коррозионно-стойким и жаропрочным и содержат не ме-
нее 12 % хрома.
      При низком содержании углерода и большом количестве легирующе-
го элемента, ограничивающего область существования аустенита
(Cr, W, Мо, V и др.), образуется сталь, относящаяся к ферритному классу.
Сталями ферритного класса являются хромистые нержавеющие стали
08X13, 15Х25Т и другие. Они не имеют фазовых превращений в твердом
состоянии и поэтому не упрочняются термической обработкой.
      При увеличении содержания углерода или аустенизаторов в хроми-
стых нержавеющих сталях (12X13, 20X13 и др.) при нагреве часть феррита
превращается в аустенит, который при быстром охлаждении переходит в
мартенсит. Такие стали являются мартенситно-ферритными и, следова-
тельно, могут упрочняться термической обработкой.
      Аустенитные стали обычно легированы хромом и никелем (или мар-
ганцем). Самую большую группу высоколегированных сталей составляют
хромоникелевые и хромоникельмарганцевые стали. В равновесном состоя-
нии они имеют легированный аустенит, а также некоторое количество кар-
бидов и интерметаллидов. При закалке с 1000-1100 °С в них получается
чисто аустенитная структура, так как вторые фазы (карбиды, интерметал-
лиды) растворяются при нагреве под закалку. При этом получаются наи-


116


большая коррозионная стойкость и высокая пластичность, а упрочнения не
происходит. Последнее резко отличает аустенитные стали от низко- и
среднелегированных.
       Однако, если в результате закалки аустенит достаточно пересыщен
углеродом и другими легирующими элементами, то старение при
650-700 °С может вызвать упрочнение за счёт выделения вторых фаз в
мелкодисперсном виде. Таким образом, аустенитные стали могут быть го-
могенными, неупрочняемыми термической обработкой (12Х18Н9 и др.) и
дисперсионно-твердующими, упрочняемыми закалкой и старением (на-
пример, 40Х14Н14В2М).
       Микроструктура аустенита у нержавеющих и жаропрочных сталей
       весьма характерна. В светлых довольно крупных и резко очерченных
зернах (полиэдрах) наблюдаются линии двойникования, не выходящие за
пределы зерна, и двойниковые области, ограниченные двумя параллельными
линиями.
       Стали переходного аустенитно-мартенситного класса (09Х15Н9Т и
др.) при высоких температурах являются полностью аустенитными и при
охлаждении до 20 °С сохраняют это состояние, которое является неустой-
чивым. Это достигается подбором химического состава и, главным обра-
зом, путем снижения содержания никеля, по сравнению со сталями аусте-
нитного класса. Неустойчивый после закалки аустенит при обработке хо-
лодом частично (до 50-70 %) превращается в мартенсит, сообщая тем са-
мым стали более высокие прочностные свойства. Дополнительное упроч-
нение стали происходит при старении при 350-500 °С. Эти стали, как и ау-
стенитные, обладая высокими технологическими свойствами, имеют более
высокие прочностные свойства. Они используются как нержавеющие для
работы при обычных и высоких температурах (до 500-550 °С).
       Нержавеющие стали аустенитно-ферритного класса (12Х22Н5Т и
др.), в связи с более высоким содержанием хрома и пониженным содержа-
нием никеля имеют двухфазную структуру при всех температурах твердо-
го состояния. Количественное соотношение аустенита и феррита в них за-
висит не только от химического состава, но и температуры нагрева под
термическую обработку и может меняться в широких пределах. Стабиль-
ность механических свойств этих двухфазных сплавов достигается только
при относительно небольших колебаниях химического состава.

     10.8 Порядок выполнения работы

     10.8.1 Изучить микроструктуры образцов легированных сталей в ото-
жженном и термообработанном состояниях. Каждую исследованную мик-
роструктуру схематически зарисовать.
     10.8.2 Измерить твердость отожженных и закаленных образцов ста-
лей У10, 9ХС, ХВГ, ХВ5, Х12 в центре и с краю.




                                                                    117


     10.8.3 Провести отпуск предварительно закаленных по оптимальным
режимам сталей У10, 9ХС, Х12 при температурах 300 °С и 500 °С в тече-
ние 30 минут.
     10.8.4 Измерить твердость образцов после отпуска.
     10.8.5 Составить отчет о работе.

        10.9 Содержание отчёта

     10.9.1 Цель работы.
     10.9.2 Основные преимущества легированных сталей и цели леги-
рования.
     10.9.3 Схемы микроструктур легированных сталей с указанием
марок сталей, структурного класса, назначения.
     10.9.4 Пример расшифровки химического состава 2-3 марок леги-
рованных сталей по индивидуальному заданию.
     10.9.5 Заполненная таблица испытания на твердость.

                  Температура на-                        Твердость HRC стали по-
      Марка ста-                       Твердость HRC
                 грева под закалку,                          сле отпуска при
         ли                           закаленной стали
                         °С                                300 °С       500 °С
        У 10
        9XC
        Х12
        ХВГ
        ХВ5

        10.9.6 Выводы по работе.

        10.10 Контрольные вопросы

      10.10.1 С какой целью производится легирование стали?
      10.10.2 В каких количествах содержатся легирующие элементы в
низколегированных, легированных и высоколегированных сталях?
      10.10.3 Каково влияние легирующих элементов на свойства стали?
      10.10.4 Как влияет большинство легирующих элементов на темпера-
туру перлитного превращения и содержание углерода в перлите?
      10.10.5 В виде каких основных фаз находятся легирующие элементы
в стали?
      10.10.6 Основные преимущества легированной стали перед углеро-
дистой?
      10.10.7 Какие важнейшие факторы обусловливают изменение струк-
туры и свойств легированных сталей?
      10.10.8 Как маркируются легированные стали?
      10.10.9 По каким основным признакам классифицируются леги-
рованные стали?

118


     10.10.10 Что такое теплостойкость? Влияние легирования на указан-
ную характеристику.
     10.10.11 Особенности термической обработки легированной стали.
     10.10.12 Место и значение термической обработки легированных
сталей.
     10.10.13 Чем объясняется высокая прокаливаемость легированных
сталей и их способность закаливаться при охлаждении в масле?
     10.10.14 В каком состоянии рационально использовать легированные
стали?




                                                                  119


                                 Приложение А
                                  (справочное)

     Таблица А.1 - Режимы термической обработки некоторых легиро-
ванных сталей

         Температура    Среда ох-   Температура Твёрдость
 Сталь                                                            Назначение
          закалки, ºС   лаждения     отпуска, ºС  HRC

                                                                Оси, валы, валы-
                                                            шестерни, штоки, дета-
 40X       840-860        Вода         200         56
                                                             ли повышенной проч-
                                                                      ности
                                                            Свёрла, развёртки, мет-
                                                            чики, гребенки, фрезы,
 9XC       840-860       Масло        180-250     58-62
                                                             клейма, деревообраба-
                                                            тывающий инструмент.
                                                            Инструмент для ручной
                                                            работы - плашки, свер-
 ХВГ       840-860       Масло        140-160     60-62      ла, развёртки, дерево-
                                                            обрабатывающий инст-
                                                                     румент
                                                             Кольца шарико- и ро-
                                                              ликоподшипников с
                                                            толщиной стенки до 15-
                                                            20 мм. Втулки плунже-
                                                            ров, плунжеры, ролики
ШХ15       820-860       Масло        150-160     61-65       толкателей, кулачки,
                                                            оси рычагов и др. дета-
                                                            ли, от которых требует-
                                                             ся высокая твёрдость,
                                                            износостойкость и кон-
                                                               тактная прочность
                                                              Молотовые штампы,
                                       450         44         прессовые штампы и
5ХНМ         850         Масло
                                       500         42          штампы машинной
                                                            скоростной штамповки.
                                                            Гибочные и формовоч-
                                                             ные штампы сложной
 Х12       950-980       Масло        170-200     60-62      формы, матрицы и пу-
                                                              ансоны вырубных и
                                                              просечных штампов




                                                                               121



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика