Размещено на http://allbest.ru

РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

Курсовая работа

по материаловедению

Свойства и термическая обработка инструментальной стали

Выполнил: студент Чернов Р.И.

Проверил: Казаков Б.М.

Москва 2005

Введение

Основной целью курсовой работы по технологии конструкционных материалов является освоение принципов выбора конструкционных материалов для деталей машин, инструмента, основываясь на знании состава и строения металлических конструкционных материалов и методов придания материалам заданных форм.

Прогресс в современной машинной технике связан с созданием u освоением новых, наиболее экономичных материалов, развитием и внедрением в производство методов упрочнения металлов, расширении сортамента выпускаемых материалов.

Совершенство производства, выпуск современных разнообразных машиностроительных конструкций, инструмента, специальных приборов и машин невозможны без дальнейшего развития производства стали. В зависимости от назначения сталям предъявляют различные требования.

Некоторые из них должны отличаться высокой прочностью другие - пластичностью, высокой износостойкостью и усталостной прочностью. Получение тех или иных свойств определяется структурой.

В свою очередь строение стали зависит от состава и характера предварительной обработки, следовательно, между всеми этими характеристиками существует определённые связи: между составом и строением (первая связь), между обработкой и строением (вторая связь), между строением и свойствами (третья связь).

Темой работы является разработка технологического процесса термической обработки стали различного состава применительно к условиям работы данной детали машин и инструмента.

С помощью термической обработки можно придавать различные значения свойствам стали без изменения её химического состава.

Различные операции термической обработки характеризуются следующими элементами: скоростью нагрева, температурой максимального нагрева, продолжительностью выдержки при температуре нагрева, скоростью охлаждения. металл сталь упрочнение термический

В свою очередь изменение значения свойств металлов при проведении термической обработки объясняется изменением внутреннего строения, которое испытывает сталь при её нагреве и охлаждении.

КАЛИБРЫ

Калибры - это измерительные инструменты, с помощью которых на заводах и других предприятиях устанавливают годность того или иного отверстия в тех или иных деталях. Существует два типа калибров - это проходной и непроходной.

Процесс проверки детали происходит следующим образом: если в данной детали через отверстие проходной калибр проходит, а непроходной нет, то делают заключение о том, что данная деталь годна и готова к дальнейшей эксплуатации. Если же через отверстие проходят оба калибра (проходной и непроходной), то делают заключение о не годности детали, что препятствует её дальнейшей эксплуатации.

СТАЛИ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА

Стали для измерительного инструмента (плиток, калибров, шаблонов) должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и сохранять постоянство размеров. Обычно применяют высокоуглеродистые хромистые стали X (0,95-1,1% С., и 1,3-1,65% Сr), ХВГ и 12X1 (1,15-1,25% С; 1,3-1,65% Сr). Измерительный инструмент подвергают закалке в масле с возможно более низкой температурой, обычно с 840-850 °С.

Для данной доэвтектойдной стали (38ХВФЮА), закалка проводится при температуре от 890-920 °С, с последующим охлаждении в масле, с целью получения минимального количества остаточного аустенита. В закаленной высокоуглеродистой стали при нормальной комнатной температуре в течение длительного времени самопроизвольно протекает процесс старения который заключается в частичном распаде мартенсита и превращении некоторого количества остаточного аустенита в мартенсит, мартенситное превращение для стали 38ХВФЮА начинается при температуре 330°С.

Старение вызывает небольшое изменение объема и линейных размеров изделия, недопустимое для измерительных инструментов высоких классов точности.

Для предупреждения подобного старения измерительные инструменты продолжительное время (12-60 ч) подвергают низкому отпуску при 130-150°С. Твердость после указанной обработки составляет HRC 62 -- 64. Иногда после закалки производят обработку холодом при 50 ч -- 80 °С. для более полного превращения остаточного аустенита.

СТАЛЬ 38ХВФЮА

Заменитель - стали: 38Х2МЮА, 38Х2ЮА, 38Х2Ю.

Назначение -- штоки клапанов паровых турбин, работающие при температуре до 450 °С, гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, иглы форсунок, тарелки букс, распылители, пальцы, плунжеры, распределительные валики, шестерни, валы, втулки и другие детали.

Состав(%): C(0.35-0.42); Mn (0.30-0.60); Si (0.20-0.45); Cr (1.15-1.45); Mo (0.15-0.25); Al (0.70-1,10); P, S, Cu, Ni не более 0.025, 0.025, 0.3 и 0.3 соотвецтвенно.

ЗАКАЛКА СТАЛИ

Режим термической обработки для данной стали выбираем закалку, т.к. только с помощью такой термической обработки можно получить данную сталь, удовлетворяющим таким условиям, как минимальная деформация и высокая износоустойчивость поверхностного слоя при твёрдости порядка 550-1000 HV.

Основные параметры при закалке -- температура нагрева и скорость охлаждения. Температуру нагрева для сталей определяют по диаграммам состояния, скорость охлаждения -- по диаграммам изотермического распада аустенита.

Температура закалки. Доэвтектоидные стали нагревают до температуры выше критической точки Ас₃ на 30 - 50 град. Если такие стали нагреть до температуры между критическими точками Ас₁ и Ас₃ и охладить, то в структуре закаленной стали, кроме мартенсита, будет присутствовать феррит, что существенно ухудшает свойства. Такая закалка называется неполной.

Заэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры Ас₁ + (40 - 60 °С). После охлаждения с таких температур получают структуру мартенсита с включением вторичного цементита, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента. Если заэвтектоидную сталь нагреть выше критической точки А_ст, то после закалки получится дефектная структура грубоигольчатого мартенсита.

Время нагрева зависит от размеров детали и теплопроводности стали и его обычно определяют экспериментально. Для определения времени нагрева в справочниках приведены также полуэмпирические формулы. Продолжительность выдержки при температуре закалки выбирают такой, чтобы полностью произошла гомогенизация образовавшегося аустенита.

Охлаждение при закалке. Для получения нужной структуры детали охлаждают с различной скоростью, которая зависит от охлаждающей среды, формы изделия и теплопроводности стали. Режим охлаждения при закалке должен исключать по возможности возникновение больших остаточных закалочных напряжений, но в то же время он должен обеспечить необходимую глубину закаленного слоя.

Закалочная среда	Скорость охлаждения, град/с, при различных температурах, °С
	650-550	300-200
Минеральное масло Вода при температуре, °С: 18 28 50 Спокойный воздух	110-150 600 500 100 3	20-50 270 270 270 1

Охлаждающую способность различных сред (табл.) оценивают скоростью охлаждения в области температур наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита (650--550° С) и в области мартенситного превращения (300--200 °С). В последнем интервале желательно замедленное охлаждение, так как в этом случае уменьшаются и термические, и структурные напряжения.

Выбирая охлаждающие среды, следует учитывать закаливаемость и прокаливаемость данной стали.

Закаливаемость -- способность стали принимать закалку, т. е. приобретать при закалке детали высокую твердость. Закаливаемость определяется содержанием углерода в стали. Низкоуглеродистые стали (до 0,20% С) практически не закаливаются, так как при закалке их твердость не повышается.

Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны. За глубину закаленной зоны принято считать расстояние от поверхности до слоя, где в структуре будут примерно одинаковые объемы мартенсита и троостита. Чем медленнее происходит превращение, аустенита в перлит, т.е. чем больше устойчивость переохлажденного аустенита, чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость. На рис.122 приведены схемы, показывающие изменение скорости охлаждения по сечению изделия.

Укрупнение зерен аустенита при нагреве под закалку также способствует увеличению прокаливаемости. Факторы, которые уменьшают устойчивость переохлажденного аустенита (нерастворимые частицы, неоднородность аустенита и др.), уменьшают прокаливаемость.



Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр -- максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия. В этом случае и на поверхности изделия, и в его центре скорость охлаждения больше критической.

Изделия, имеющие размеры меньше критического диаметра, прокаливаются в данном охладителе насквозь. Зная критический диаметр, можно правильно выбрать сталь для деталей определенных размеров и назначения.

Прокаливаемость каждой стали определяют экспериментально. Наиболее простой способ -- стандартный метод торцовой закалки. Прокаливаемость углеродистых сталей находится в прямой зависимости от содержания углерода. Для сталей с 0,8 %С это примерно 5-- 6 мм.

Легирующие элементы, увеличивая устойчивость переохлаждённого аустенита, уменьшают критическую скорость V_кр закалки (исключение составляет кобальт). Поэтому некоторые легированные стали в результате охлаждения на воздухе приобретают структуру мартенсита. С уменьшением V_кр уменьшаются внутренние напряжения и вероятность появления брака. Однако понижение температуры мартенситного превращения способствует увеличению количества остаточного аустенита в стали после закалки.

С введением в сталь легирующих элементов закаливаемость и прокаливаемость увеличиваются. Особенно сильно увеличивают прокаливаемость молибден и бор (кобальт и в этом случае действует противоположно). Карбидообразующие элементы увеличивают прокаливаемость только в том случае, если они при нагреве растворились в аустените. В противном случае указанные элементы являются центрами распада аустенита, и прокаливаемость будет даже ухудшаться.

Температура нагрева легированных сталей под закалку по сравнению с углеродистыми сталями выше. Это объясняется, во-первых, тем, что большинство легирующих элементов повышает температуру критических точек Ас₁ и Ас₃. Во-вторых, диффузионные процессы в легированных сталях протекают значительно медленнее, так как легирующие элементы образуют твердые растворы замещения, а углерод -- внедрения. Поэтому температуру закалки обычно выбирают на 50--60 град выше точки Ас₃ этих сталей и увеличивают продолжительность выдержки при температуре закалки. Такой нагрев способствует также диссоциации карбидов и лучшей растворимости легирующих элементов в аустените.

В результате закалки легированных сталей получают структуру легированного мартенсита, который содержит не только углерод, но и легирующие элементы. Это оказывает существенное влияние на превращения, протекающие при отпуске.

Нагрев легированных сталей при закалке до более высоких температур не приводит к росту зерна, так как все легирующие элементы (кроме марганца и бора)

уменьшают склонность к росту зерна. Элементы, образующие, слабо диссоциирующие при нагреве карбиды, способствуют измельчению зерна аустенита.

Легированные стали обладают пониженной теплопроводностью, поэтому для уменьшения перепада температуры по сечению их следует нагревать медленно. Это уменьшает внутренние напряжения, которые могут вызвать коробление или образование трещин при нагреве. Вследствие низкой теплопроводности увеличивается и продолжительность выдержки при заданной температуре.

Но способы закалки бывают разные. Для данной стали выбираем Ступенчатую закалку, потому что по сравнению с остальными способами является более совершенной. Нагретую до температуры закалки деталь быстро переносят в охладитель, имеющий температуру на 30--50 град выше мартенситной точки, и выдерживают в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению изделия. Время изотермической выдержки должно быть меньше времени устойчивости аустенита при этой температуре.

После изотермической выдержки (в расплаве солей или металлов) деталь охлаждают с небольшой скоростью, что способствует уменьшению закалочных напряжений. Этот способ применим только для закалки небольших деталей, имеющих диаметр 10--30 мм.¹ / ¹ Для выравнивания температуры по сечению для больших изделий необходимо время, превышающее возможное время выдержки, согласно диаграмме изотермического распада аустенита. Размеры закаливаемых изделий лимитируются также и размерами ванн с расплавами солей.

ОТПУСК

Следом за закалкой необходимо произвести такой вид термической обработки как отпуск. Отпуском называется нагрев закаленной стали до температур ниже критической точки Ас₁, выдержка при этой температуре с последующим охлаждением (обычно на воздухе). Отпуск является окончательной термической обработкой.

Целью отпуска является изменение строения и свойств закаленной стали: повышение вязкости и пластично, уменьшение твердости (рис. 125). Кроме того, при отпуске частично или полностью устраняются внутренние напряжения.

В зависимости, от температуры нагрева различают три вида отпуска: низкотемпературный, среднетемпературный и высокотемпературный.

При низкотемпературном отпуске закаленную сталь нагревают до 150--250° С. После соответствующей выдержки при этой температуре (обычно 1--3 ч) в детали получают структуру отпущенного (кубического) мартенсита. При низком отпуске частично снимаются закалочные напряжения. Если в стали было значительнее количество остаточного аустенита, то в результате его превращения в кубический мартенсит твердость после низкого отпуска может увеличиться на 2--3 единицы HRC.

При среднетемпературном отпуске закаленную сталь нагревают, до 350--400° С. В результате получается структура троостита. После такого отпуска в изделиях получается сочетание сравнительно высокой твердости (HRC 40-45) и прочности с хорошей упругостью и достаточной вязкостью. Поэтому среднему отпуску подвергают пружины и рессоры.

При высокотемпературном отпуске закаленные изделия нагревают до 450--650° С. После такого нагрева, и соответствующей выдержки в изделиях получается структура сорбита. В отличие от сорбита, полученного после нормализации, когда цементит пластинчатый, после высокого отпуска цементит приобретает зернистую форму. Это существенно повышает ударную вязкость при одинаковой (или даже более высокой) твердости по сравнению с нормализованной сталью. Поэтому такой отпуск применяют для деталей машин, испытывающих при эксплуатации ударные нагрузки. Закалку с высоким отпуском часто называют улучшением.

Поскольку в легированных сталях все диффузионные процессы протекают медленнее, время выдержки при отпуске таких сталей больше по сравнению с углеродистыми. Кроме того, карбидообразующие элементы замедляют коагуляцию карбидов, в результате чего они сохраняются мелкодисперсными до более высоких температур.

Это одна из причин наблюдающегося явления так называемой вторичной твердости, т. е. увеличения твердости после отпуска в интервале 500--600 °С (наблюдается в сталях, легированных хромом, молибденом, ванадием и некоторыми другими элементами). Поэтому в результате высокотемпературного отпуска при одной и той же температуре, следовательно, при одной и той же структуре легированные конструкционные стали имеют более высокую прочность и пластичность, чем углеродистые стали. Это и является одной из основных причин применения легированных сталей для изготовления деталей ответственного назначения, испытывающих сложные напряжения при эксплуатации.

Обычно ударная вязкость с температурой отпуска увеличивается, а скорость охлаждения после отпуска не влияет на свойства. Но для некоторых конструкционных сталей наблюдается уменьшение ударной вязкости (рис. 126). Этот дефект называется отпускной хрупкостью. Различают отпускную хрупкость I и II рода.

Отпускная хрупкость I рода. Наблюдается при отпуске в области 300 °С у легированных, а также углеродистых сталей. Не зависит от скорости охлаждения. Это явление связывают с неравномерностью превращений отпущенного мартенсита. Процесс протекает быстрее вблизи границ зерен по сравнению с объемами внутри зерна. Благодаря этому вблизи границ создаются концентрации напряжений, границы становятся хрупкими.

Отпускная хрупкость I рода «необратима», т. е. при повторных нагревах тех же деталей она в них не наблюдается.

Отпускная хрупкость 11 рода. Наблюдается у легированных сталей при медленном охлаждении после отпуска в области 450-- 650 °С (пунктирная линия на кривой рис. 126). При высоком отпуске по границам зерен происходит образование и выделение дисперсных включений карбидов. Приграничная зона зерна обедняется легирующими элементами. При последующем медленном охлаждении происходит восходящая диффузия фосфора из внутренних объемов зерна к границам. Приграничные зоны зерна обогащаются фосфором, прочность границ понижается, ударная вязкость падает.

Этому дефекту способствуют хром, марганец и фосфор (>0,001%). Уменьшают склонность к отпускной хрупкости II рода молибден и вольфрам (до 0,5%) и быстрое охлаждение после отпуска (сплошная линия на рис. 126).

Отпускная хрупкость II рода «обратима», т. е. при повторных нагревах и медленном охлаждении тех же сталей в опасном интервале температур этот дефект может повториться. Поэтому стали, склонные к отпускной хрупкости II рода, нельзя использовать для работы с нагревом до 650 °С без последующего быстрого охлаждения.

ОБРАБОТКА СТАЛИ ХОЛОДОМ

После закалки проводят, обработку стали холодом. Сущность этого метода заключается в следующем. Во многих сортах стали, в закаленном состоянии содержится повышенное количество остаточного аустенита. Если точка конца мартенситного превращения лежит ниже 0 °С (например, в углеродистой стали при содержании углерода более 0,5%, см. рис. 206), то, очевидно, охлаждение ниже 0°С вызовет дополнительное образование мартенсита.

Увеличение количества мартенсита: а) повышает твердость; б) увеличивает объем; в) повышает магнитные характеристики; г) стабилизирует размеры.

Эти изменения тем значительнее, чем больше образуется мартенсита в результате обработки холодом.

При обработке холодом объем увеличивается, поэтому этот метод применяют для восстановления размеров некоторых очень точных изделий (например, калибров). Наличие остаточного аустенита делает размеры закаленных деталей нестабильными из-за возможного протекания процесса изотермического распада аустенита. Обработка холодом, уменьшающая количество остаточного аустенита, стабилизирует размеры закаленных деталей.

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССОВ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Химико-термической обработкой называют обработку, заключающуюся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении. При этом происходит поверхностное насыщение металлического материала соответствующим элементом (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, жидкой, паровой) при высокой температуре.

Широкое применение ХТО в различных областях техники объясняется тем, что большинство деталей машин работают в условиях износа, циклических нагрузок, коррозии при высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла. ХТО металлов и сплавов повышает надежность и долговечность деталей машин.

В случае газового окружения химико-термическая обработка включает три элементарных процесса:

1) Первый процесс--диссоциация. Протекает в газовой среде и состоит в распаде молекул и образовании активных атомов диффундирующего элемента. Степень распада молекул газа (%) называется степенью диссоциации.

2) Второй процесс--абсорбция. Происходит на границе газ-металл и состоит в поглощении (растворении) поверхностью свободных атомов. Этот процесс возможен только в том случае, если диффундирующий элемент В способен растворяться в основном металле А.

3) Проникновение насыщающего элемента вглубь--диффузия, Она характеризует третий процесс.

В результате образуется диффузионный слой, на поверхности которого концентрация диффундирующего элемента наибольшая; по мере удаления от поверхности концентрация падает, глубина проникновения (у) будет представлять собой толщину слоя. Так обстоит дело, если диффундирующий элемент образует с металлом систему непрерывных твердых растворов.

Различаются два вида диффузионного перемещения атомов в металлах: а) самодиффузия, когда происходит перемещение атомов основного металла в собственной кристаллической решетке; б) гетеродиффузия, когда происходит перемещение инородных (растворенных) атомов в чужой кристаллической решетке.

В первом случае в результате хаотического теплового движения отдельные атомы основного металла время от времени меняют места в своей кристаллической решетке, совершая перескок из одного положения в другое. Этот процесс перемещения однородных атомов происходит непрерывно и хаотически по направлению и не изменяет концентрации.

Во втором случае перемещение инородных атомов происходит в направлении от мест высокой концентрации к местам низкой концентрации. Этот процесс совершается самопроизвольно, так как состояние с неравномерной концентрацией обладает большей свободной энергией, чем состояние с равномерным распределением растворенных атомов.

Продолжительность процесса химико-термической обработки определяется требуемой глубиной диффузионного слоя. При постоянных параметрах процесса (температура и др.) увеличение глубины слоя (у) во времени (т) подчиняется параболическому закону. Чем больше толщина уже имеющегося слоя, тем меньше он увеличивается за одинаковый отрезок времени.

Виды химико-термической обработки:

1. Цементация (насыщение углеродом)

2. Азотирование (насыщение азотом)

3. Цианирование (насыщение азотом и углеродом)

4. Борирование

5. Силицирование

6. Хромирование

7. Алитирование

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССА АЗОТИРОВАНИЯ СТАЛИ 38ХВФЮА

Основное назначение процесса - повышение твердости и износоустойчивости. Для этой цели азотированию подвергают специальные стали (нитраллои), содержащие элементы, дающие нитриды высокой термической устойчивости (CrN, A1N).Одной из наиболее распространенных маркок стали, предназначенных для азотирования, является сталь 38ХВФЮА.

Азотированием называется ХТО, при которой поверхностный слой детали насыщается азотом. При этом увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается и коррозионная стойкость. На рис. 130 приведена диаграмма состояния Fe-N.

Согласно этой диаграмме, азот образует с железом несколько фаз: 1) б -фаза -- азотистый феррит; 2) г'-фаза -- твердый раствор на основе нитрида железа Fe₄N; 3) е -фаза -- твердый раствор на основе нитрида железа Fe₂N; 4) г -фаза твердый раствор азота в г-железе, существует выше температуры эвтектоидного превращения (591° С).

При азотировании изделия загружают в герметические печи, куда поступает аммиак NH₃ с определенной скоростью, который при нагреве диссоциирует по реакции

2NH₃2N+6H.

Атомарный азот, имеющий высокую активность, поглощается поверхностью и диффундирует в глубь детали. Структура азотированного слоя (от поверхности в глубь изделия) состоит из е+г' г'б+ г' б+ г'_изг (рис. 131). Фазы, получающиеся, в азотированном слое углеродистой стали, не обеспечивают достаточно высокой твердости и образующийся слой хрупкий.

Поэтому для азотирования применяют, легированные стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан и другие элементы.

Нитриды этих элементов обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.

Типовыми азотируемыми сталями являются 38ХМЮА 35ХМЮА. Влияние легирующих элементов на твердость азотированного слоя показано на рис.132.

В зависимости от условий работы деталей различают две разновидности азотирования: для повышения поверхностной твердости и износостойкости и для улучшения коррозионной стойкости.

В первом случае детали азотируют при 500--520 °С, процесс продолжается от 24 до 90 ч (скорость азотирования составляет около 0,01 мм в 1 ч). Содержание азота в поверхностном слое достигает 10--12%, толщина слоя -- порядка 0,3--0,6 мм, твердость достигает HV 000--1200 (рис. 133).

Охлаждение после азотирования проводят вместе с печью в потоке аммиака. Для повышения коррозионной стойкости азотированию подвергают изделия, как из легированных, так и из углеродистых сталей.

В этом случае азотирование проводят при 650-- 700° С. Скорость диффузии увеличивается, продолжительность процесса сокращается до нескольких часов.

Азотирование -- окончательная, завершающая операция при изготовлении детали.

Детали подвергают азотированию после окончательной механической и термической обработок -- закалки с высоким отпуском. После такой термической обработки в деталях получается структура сорбита, которая сохранится в сердцевине изделия и после азотирования и обеспечит повышенную прочность, и вязкость. Азотированные детали имеют серый цвет.

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПРЕВРАЩЕНИЕ В СТАЛИ

Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита: Влияние же легирующих элементов на кинетику превращения, аустенита очень велико. Элементы, которые только растворяются в феррите или цементите, не образуя специальных карбидов, оказывают лишь количественное влияние на процессы превращения. Они или ускоряют превращение (только кобальт), или замедляют его (марганец, никель, медь и др.).

Карбидообразующие элементы вносят не только количественные, но и качественные изменения в кинетику изотермического превращения. Так, легирующие элементы, образующие растворимые в аустените карбиды, при разных температурах по-разному влияют на скорость распада аустенита: 700--500 °С (образование перлита)--замедляют превращение; 500--400° С-- весьма значительно замедляют превращение; 400--300 °С -- ускоряет превращение.

Таким образом, в сталях, легированных карбидообразующими элементами (хром, молибден, вольфрам), наблюдаются два максимума скорости изотермического распада аустенита, разделенных областью высокой устойчивости переохлажденного аустенита. Изотермический распад аустенита имеет два явно выраженных интервала превращений -- превращение в пластинчатые (перлитное превращение) и превращение в игольчатые структуры.

Схематическое изображение диаграммы изотермического превращения (показано лишь начало превращения) приведено на рис. 284.

Практически наиболее важной является способность легирующих элементов замедлять скорость распада аустенита в районе перлитного превращения, что выражается в смещении линии вправо на диаграмме изотермического распада аустенита. Это способствует более глубокой прокаливаемости и переохлаждению, аустенита до интервала мартенситного превращения при более медленном охлаждении, например при охлаждении в масле или на воздухе, что естественно связано с уменьшением критической скорости закалки.

В отношении оценки относительной степени влияния различных элементов на прокаливаемость существуют данные, расходящиеся в количественном выражении. Наиболее сильно увеличивают прокаливаемость хром, никель, молибден, марганец, поэтому они входят в состав большинства конструкционных легированных сталей.

Прокаливаемость стали может быть особенно увеличена при совместном легировании несколькими элементами.

Например, совместное действие никеля и хрома. Очень эффективно действует молибден при введении его в хромоникелевую сталь.

Своеобразно влияют на кинетику распада такие сильные карбидообразователи, как ванадий, титан, ниобий и частично вольфрам.

Так как эти элементы образуют труднорастворимые карбиды, то при обычных температурах закалки (800--900 °С) они остаются связанными в карбиды и не переходят в аустенит. В результате этого прокаливаемость стали уменьшается, так как карбиды действуют как готовые центры кристаллизации перлита.

При высокой температуре нагрева под закалку эти карбиды уже растворяются; аустенит содержит эти элементы в растворе, что увеличивает прокаливаемость.

Малые добавки некоторых элементов эффективно влияют на рокаливаемость, в то время как более высокое их содержание такого действия не оказывает.

К таким элементам надо отнести в первую очередь бор (В). Тысячные доли процента этого элемента способствуют увеличению прокаливаемости, так как весь бор, находясь в растворе, концентрируется в тонких пограничных слоях зерна аустенита и уменьшает скорость зарождения центров кристаллизации перлита.

Оптимальное содержание бора в стали, обеспечивающее наибольшую прокаливаемость, равно всего лишь 0,002--0,006%. При большом содержании бора концентрация его на границах зерна аустенита превышает предел насыщения. В результате чего появляются избыточные бористые фазы, действующие как центры кристаллизации перлита, и прокаливаемость уменьшается.

Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение: Легирующие элементы не влияют на кинетику мартенситное превращения сталях. Их влияние сказывается здесь исключительно на положении температурного интервала мартенситного превращения, а это в свою очередь отражается и на количестве остаточного аустенита, которое фиксируется в закаленной стали.

Некоторые элементы повышают мартенситную точку и уменьшают количество остаточного аустенита (алюминий, кобальт), другие не влияют на нее (кремний), но большинство снижает мартенситную точку и увеличивает количество остаточного аустенита (рис. 285).

Из диаграммы видно, что 5% Мn снижает мартенситную точку до 0°С, следовательно, при таком содержании этого легирующего элемента охлаждением можно зафиксировать аустенитное состояние.

Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита: Все легирующие элементы уменьшают склонность аустенитного зерна к росту. Исключение составляют марганец и бор, которые способствуют .росту зерна.

Остальные элементы, оказывают различное влияние: никель, кобальт, кремний, медь слабо влияют на рост зерна. Хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан сильно измельчают зерно (элементы перечислены в порядке роста силы их действия).

Это различие является прямым следствием различной устойчивости карбидов этих элементов. Избыточные карбиды, не растворенные в аустените, препятствуют росту аустенитного зерна.

Поэтому сталь при наличии хотя бы небольшого количества нерастворимых карбидов сохраняет мелкозернистое строение до весьма высоких температур нагрева.

Влияние легирующих элементов на превращения при отпуске: Легирующие элементы замедляют процесс распада мартенсита. Некоторые элементы, такие как никель или марганец, влияют незначительно, тогда как хром, молибден, кремний и др. -- весьма заметно.

Это связано с тем, что процессы при отпуске имеют диффузионный характер, и большинство легирующих элементов замедляют карбидное превращение, в особенности на стадии коагуляции.

Для получения одинаковых результатов сталь, легированную такими элементами, как хром, молибден, кремний и др., нужно нагревать при отпуске до более высокой температуры или увеличивать продолжительность отпуска по сравнению с углеродистой сталью.

Список литературы

1. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева «Металловедение»

2. А.П. Гуляев «Металловедение»

3. «Материаловедение и технология металлов»

4. «Справочник металлиста», том 2.

5. Б.В. Кнорозов «Технология металлов »

Размещено на Allbest.ru

...