Главная
Каталог
Библиотека
Избранное
Порталы
Библиотеки вузов
Отзывы
Новости
 
12+
 
Предварительный просмотр документа

Материаловедение и технологические процессы машиностроительного производства: Лабораторный практикум

Автор/создатель: Богодухов С.И., Бондаренко Е.В., Проскурин А.Д. и др.
Год: 2004 
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".
Показать полное описание документа
РЕЙТИНГ

Оценка пользователей: 3.7
Количество голосов: 48
Оцените ресурс:
5 4 3 2 1

ОТЗЫВЫ


Популярные ресурсы по теме

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