Современные методы анализа и исследования структуры и свойств материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современные методы анализа и исследования структуры и свойств материалов

ВВЕДЕНИЕ

Изучение этого курса должно дать магистрантам знания об основных закономерностях, определяющих строение и свойства наиболее распространенных материалов, а также научить выполнять широко применяемые в технике испытания материалов; уметь самостоятельно пользоваться технической и справочной литературой для выбора необходимых материалов и эффективных методов их обработки с целью повышения надежности и долговечности изготовляемых из них деталей применительно к условиям их эксплуатации. Эта цель может быть достигнута в результате самостоятельного выполнения лабораторных работ и домашних заданий. Именно поэтому, в настоящем учебном пособии приведены основные методы испытания и исследования материалов и даны теоретические основы формирования структуры этих материалов. Анализ полученных практических результатов способствует развитию у студентов навыков самостоятельной работы по исследованию микроструктуры и свойств металлических сплавов. Кроме того, дается возможность научиться обобщению полученных экспериментальных данных путем составления таблиц, построения графиков и схематического изображения микроструктур различных металлических сплавов. Поэтому в учебном пособии наряду с микроструктурами воспроизведенными при помощи металлографического микроскопа приведено и их схематическое изображение. Это позволит лучше усвоить строение металлических сплавов и сопоставить его с их свойствами.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

Лабораторная работа №1

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Усвоить понятие твердости, изучить сущность ее определения различными методами. Научиться самостоятельно измерять твердость наиболее распространенными методами.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Приборы Бринелля и Роквелла, образцы из горячекатаной и термически упрочненной углеродистой стали и цветных сплавов, эталонные бруски известной твердости.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Под твердостью материала понимают его способность сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела (индентора). Этот вид механических испытаний не связан с разрушением металла и, кроме того, в большинстве случаев не требует приготовления специальных образцов. Все методы измерения твердости можно разделить на две группы в зависимости от вида движения индентора: статические методы и динамические. Наибольшее распространение получили статические методы определения твердости. Статическим методом измерения твердости называется такой, при котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый металл с определенным усилием. К статическим методам относят следующие: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу (рисунок 1).

Рисунок 1 Схема определения твердости: а) по Бринеллю; б) по Роквеллу; в) по Виккерсу

При динамическом испытании контролируется величина отскока испытательного инструмента от поверхности испытываемого образца. К динамическим методам относят следующие: твердость по Шору, по Польди.

1.1 ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ

Сущность метода заключается в том, что шарик (стальной или из твердого сплава) определенного диаметра под действием усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, в течение определенного времени вдавливается в испытуемый металл (рис. 1а). Величину твердости по Бринеллю определяют исходя из измерений диаметра отпечатка после снятия усилия.

При измерении твердости по Бринеллю применяются шарики (стальные или из твердого сплава) диаметром 1,0; 2,0; 2,5; 5,0; 10,0 мм.

При твердости металлов менее 450 единиц для измерения твердости применяют стальные шарики или шарики из твердого сплава. При твердости металлов более 450 единиц шарики из твердого сплава.

Величину твердости по Бринеллю рассчитывают как отношение усилия F, действующего на шарик, к площади поверхности сферического отпечатка А:

HB (HBW) =

где НВ - твердость по Бринеллю при применении стального шарика;

(HBW твердость но Бринеллю при применении шарика из твердого сплава), МПа (кгс);

F - усилие, действующее на шарик, Н (кгс);

А - площадь поверхности сферического отпечатка, мм²;

D - диаметр шарика, мм;

d - диаметр отпечатка, мм.

Одинаковые результаты измерения твердости при различных размерах шариков получаются только в том случае, если отношения усилия к квадратам диаметров шариков остаются постоянными. Исходя из этого, усилие на шарик необходимо подбирать по следующей формуле:

F = K ?D²(2)

Диаметр шарика D и соответствующее усилие F выбирают таким образом, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах:

0,24?D ? d ? 0,6?D(3)

Если отпечаток на образце получается меньше или больше допустимого значения d, то нужно увеличить или уменьшить усилие F и произвести испытание снова.

Коэффициент К имеет различное значение для металлов разных групп по твердости. Численное, же значение его должно быть таким, чтобы обеспечивалось выполнение требования, предъявляемого к размеру отпечатка (3). Толщина образца должна не менее, чем в 8 раз превышать глубину отпечатка.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ

Подготовка образца, выбор условий испытания, получение отпечатка, измерение отпечатка и определение числа твердости производится в строгом соответствии ГОСТ 901259 (в редакции 1990 г.). Необходимые для замера твердости значения выбираются из таблиц этого ГОСТа.

Значение К выбирают в зависимости от металла и его твердости в соответствии с табл. 1.

Таблица 1. Испытание твердости по Бринеллю

Диаметр		Прикладываемое усилие F, Н
шарика
			K=F/D2
D, мм
	30	10	5	2,5	1
10	29420	9807	4903	2452	980,7
5	7355	2452	1226	612,9	245,2
2,5	1839	612,9	306,5	153,2	61,3
1	294,2	98,1	49,0	24,5	9,81
Диапазон	55 - 650	35 - 200	<55	8 - 55	3 - 20
твердости
HB
Измеряются	Сталь, чугун,	Чугун, спла	Медь и ее	Легкие	Свинец,
	медь и ее	вы меди,	сплавы,	сплавы	олово
	сплавы, лег	легкие спла	легкие
	кие сплавы	вы	сплавы

Усилие, F в зависимости от значения К и диаметра шарика D устанавливают в соответствии с таблицей 1.

Рекомендуемое время выдержки образца под нагрузкой для сталей составляет 10 с, для цветных сплавов 30 с (при K=10 и 30) или 60 с (при K=2.5).

Данные замеров занести в протокол.

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ

	Марка	D	F,	Продол.	Диаметр	Среднее	HB
	металла	шарика,	H (кгс)	выдержки,	отпечатка ,	арифм.,	(HBW)
		мм		с		мм	dср
					d1		d2	мм

1.2 ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ

Шкалу испытания (А, В или С) и соответствующие ей условия испытания (вид наконечника, общее усилие) выбирают в зависимости от предполагаемого интервала твердости испытуемого материала по табл. 2.

Таблица 2Выбор нагрузки и наконечника для испытания твердости по Роквеллу

Примерная твердость по Виккерсу	Обозна чение шкалы	Вид наконечника	Общее усилие, кгс	Обозначение твердости по Роквеллу	Допус каемые пределы шкалы
60 - 240	В	Стальной шарик	100	HRB	25 - 100
240 - 900	С	Алмазный конус	150	HRC	20 - 67
390 - 900	А	То же	60	HRA	70 - 85

Измерение твердости по Роквеллу осуществляется в строгом соответствии ГОСТ 901359. Данные замеров занести в протокол.

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ

Марка	Обозначение	Вид	Общее	Результаты	Примечание
металла	шкалы	наконечника	усилие,	измерения
			кгс

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Протокол испытаний твердости по методу Бринелля.

4. Протокол испытаний твердости по методу Роквелла.

5. Выводы

1.3 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое твердость?

2. Классификация методов измерения твердости.

3. Сущность измерения твердости по Бринеллю.

4. До какого значения твердости при испытании по Бринеллю используются стальные шарики?

5. Какого диаметра шарики используются при испытании на твердость по Бринеллю?

6. Из каких условии выбирается диаметр шарика при испытании на твердость по Бринеллю?

7. Пример записи твердости по Бринеллю?

8. Сущность измерения твердости по Роквеллу?

9. При замере какой твердости снимается отсчет показании по шкалам A, С, В?

10. Пример формы записи твердости по Роквеллу?

2. МАКРО - И МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЛАВОВ

Лабораторная работа №2

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с методами исследования металлических сплавов, приготовлением образцов для металлографического исследования.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Коллекции макро и микрошлифов, изломов. Металлографические микроскопы, лупы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1 Микроскопический анализ

При макроскопическом анализе строение металлического сплава исследуют невооруженным глазом или с помощью лупы. Обычно он является предварительным видом исследования.

Макростроение сплава изучают на образцах или деталях, в изломе или на предварительно подготовленной поверхности, заключающейся в шлифовании и травлении. Такой образец называют макрошлифом. Если макрошлиф изготовлен в поперечном сечении детали, то его называют темплетом. Макроанализ находит широкое применение в промышленности, так как дает возможность выявлять раковины, шлаковые включения, трещины и другие дефекты строения сплава, химическую и структурную неоднородность.

Непосредственно по виду излома можно провести макроскопический анализ и установить многие особенности строения материалов, а в ряде случаев и причины их разрушения. Излом может быть хрупким и вязким.

По форме различают излом ровный или блестящий и с выступами, или чашечный. Первый вид излома характерен для хрупкого состояния, когда разрушение в условиях растяжения или ударного изгиба произошло без видимой пластической деформации, а второй - для вязкого излома. Хрупкий излом имеет кристаллическое строение, происходит практически без предварительной пластической деформации, в нем можно различить форму и размер зерен металла. Хрупкий излом может проходить по границам зерен (межкристаллический) и по зернам металла (транскристаллический). В сталях хрупкий излом иногда называют нафталинистым, если он транскристаллический и имеет избирательный блеск.

При крупнозернистом строении сплава хрупкий межкристаллический излом называют камневидным.

Вязкий излом имеет волокнистое строение, форма и размер зерен сильно искажены. Ему предшествует, как правило, значительная пластическая деформация.

Под действием знакопеременных нагрузок возможно возникновение усталостного излома (рисунок 1). Он состоит из очага разрушения 1 (места образования микротрещин) и двух зон - усталости 2 и долома 3. Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие размеры. Зону усталости формирует последовательное развитие трещины усталости. В этой зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости. Последнюю стадию разрушения характеризует зона долома.

Рисунок 1- Схематическое строение усталостного излома

Макроструктурный анализ проводится на макрошлифах. Макрошлифы подвергают:

- глубокому травлению в концентрированных горячих кислотах для выявления волокнистого строения сплава, что важно для определения анизотропии свойств, различных внутренних дефектов металла;

- поверхностному травлению для определения химической неоднородности сплава (ликвации).

Чаще всего определяют общую химическую неоднородность сплава по сечению детали.

Конкретно для сталей распределение C, P, S зависит от количества этих элементов, процесса кристаллизации и обработки давлением. Для определения общей ликвации свежеприготовленный макрошлиф погружают на 2 мин. в 10 % раствор двойной медноаммиачной соли соляной кислоты (CuNH₄Cl₂).

При травлении медь замещает железо и оседает на участках поверхности, обедненных S, P, C, защищает их от дальнейшего растравления. Места, обогащенные примесями, оказываются сильно протрав

ленными. Затем макрошлиф промывают под струей проточной воды и осторожно снимают медь с поверхности ватным тампоном. Полученную картину зарисовывают или фотографируют.

2.2 Микроструктурный анализ

Микроструктурный анализ проводится с целью исследования структуры металлов и сплавов под микроскопом на специально подготовленных образцах. Методами микроанализа определяют форму и размеры кристаллических зерен, обнаруживают изменения внутреннего строения сплава под влиянием термической обработки или механического воздействия на сплав, микротрещины и многое другое.

Микроструктурный анализ проводится на микрошлифах при приготовлении которых необходимо учитывать что:

- шлиф должен иметь минимальный деформированный слой;

- на поверхности шлифа не должно быть царапин и ямок;

- шлиф должен быть плоским (без «завалов»), чтобы его можно было рассматривать при больших увеличениях.

Шлиф, т.е. образец с плоской отполированной поверхностью, механическим методом готовят следующим образом. Вначале производят обработку образца на плоскость (заторцовку) с помощью круга. По краям следует снять фаску, чтобы при последующих операциях не порвать полировальное сукно. Затем производят шлифовку на специальной бумаге с разной величиной зерна абразива, уложенной на стекло. При переходе к следующему номеру бумаги образец разворачивают на 90є и шлифуют до тех пор, пока не исчезнут риски от предыдущей обработки. После шлифования на последней бумаге шлиф промывают в воде, чтобы частички абразива не попали на полировальный круг. После шлифовки производят полировку. Шлиф слегка прижимают к вращающемуся кругу, на который натянуто сукно. Полировальный круг все время смачивается суспензией - взвесью тонкого абразива в воде. Абразивами для полировки служат окись алюминия (белого цвета), окись хрома (зеленого цвета) или другие окислы. Для полировки твердых материалов применяют пасту с алмазным порошком или алмазные круги. Полировку производят до получения зеркальной поверхности. После полировки шлиф промывают в воде или спирте, сушат полированную поверхность фильтровальной бумагой. Ее следует прикладывать к зеркалу шлифа, а не водить по нему.

После полировки микроструктура, как правило, не бывает видна. Исключением являются сплавы, структурные составляющие которых сильно различаются по составу и твердости, в результате чего одни

участки шлифа сполировываются больше, другие меньше, и на поверхности образуется рельеф.

Для выявления микроструктуры шлиф подвергают травлению - кратковременному действию реактива. Травитель и время травления подбирают опытным путем.

Механизм выявления структуры сплава довольно сложен. Те участки шлифа, которые сильно растравлены, кажутся под микроскопом более темными т.к., чем сильнее растравлена поверхность, тем больше она рассеивает свет и меньше света отражает в объектив.

На образце с однофазной структурой границы между зернами растравливаются сильнее, чем тело зерна, и под микроскопом видны канавки в виде темной сетки (рисунок 2). Разные зерна одной фазы попадают в сечение шлифа различными кристаллографическими плоскостями, которые травятся поразному. Поэтому зерна одной фазы могут иметь различные оттенки.

Рисунок 2- Выявление микроструктуры сплава

В многофазном сплаве различные фазы и структурные составляющие травятся поразному. Смесь фаз подвергается не только простому химическому действию реактивов, но и электрохимическому травлению, т.к. смесь фаз является совокупностью микрогальванических элементов. Растворяются частички, являющиеся микроанодами по отношению к другим частицам - микрокатодам.

В результате такого сложного действия травителя выявляется микростроение образца. После травления шлиф промывают водой, сушат фильтровальной бумагой и ставят на столик микроскопа.

Устройство и работа микроскопа

Разрешающая способность глаза ограничена и составляет 0,2 мм. Разрешающая способность характеризуется разрешающим расстоянием, т.е. тем минимальным расстоянием между двумя соседними частицами, при котором они еще видны раздельно. Чтобы увеличить разрешающую способность, используется микроскоп. Разрешаемое расстояние определяется соотношением:

где л - длина волны света;

n - показатель преломления среды, находящейся между объективом и объектом;

б-угловая апертура, равная половине угла раскрытия входящая в объектив пучка лучей, дающих изображение.

Рекомендуется начинать микроанализ с использованием слабого объектива, чтобы вначале оценить общий характер структуры на большой площади. После просмотра структуры при малых увеличениях микроскопа используют объектив с такой разрешающей способностью, чтобы увидеть необходимые мелкие детали структуры.

Окуляр выбирают так, чтобы четко были видны детали структуры, увеличенные объективом. В металлографии микроанализу подвергаются непрозрачные для световых лучей объективы - микрошлифы, которые рассматривают в микроскоп в отраженном свете. Наводку на резкость осуществляют грубо, вращением макровинта. Тонкую наводку на резкость - вращением микровинта, который перемещает объектив по отношению к неподвижному предметному столику.

Для рассмотрения разных участков шлифа предметный столик вместе со шлифом перемещают винтами относительно неподвижного объектива в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Определение величины зерна

Величина зерна оказывает существенное влияние на свойства сплава. По методу «секущей» подсчет числа зерен на выделенной площади заменяется подсчетом стыков (границ) плоских зерен.

Для определения диаметра зерна d при данном увеличении микроскопа

(100^x) необходимо, используя окуляр (7^x), имеющий измерительную линейку, посчитать на контрольном образце количество пересечений границ с осью шкалы окуляра «секущей ». Аналогичный расчет проводится в двух других полях зрения. При подсчете определяют среднее арифметическое значение числа пересечений. Диаметр зерна определяют по формуле:

d_з=

где d_з - диаметр зерна, мм;

- длина секущей, мм;

m- цена деления секущей при данном увеличении микроскопа;

n_ср - среднее количество пересечений.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Рисунок излома контрольного образца и заключение о его ха-рактере.

4. Рисунок выявленной микроструктуры с описанием ее характе-ра.

5. Расчет величины зерна выявленной микроструктуры.

6. Выводы.

2.3 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. При каких увеличениях проводят макроанализ?

2. Что такое макрошлиф?

3. Какие задачи можно решить методами макроанализа?

4. Какие виды хрупкого излома возможны?

5. Какие участки можно различить в усталостном изломе?

6. Для чего проводят глубокое и поверхностное травление?

7. Каким образом определяют общую химическую неоднородность?

8. Какие задачи можно решать с помощью микроанализа?

9. Как приготовить микрошлиф?

10. В чем заключается механизм выявления структуры при травлении?

11. Что такое разрешающая способность микроскопа?

12. Какое изображение дает объектив и окуляр?

13. В чем заключается метод «секущей»? Что определяют с помощью этого метода?

3. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Лабораторная работа № 3

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить назначение, классификацию, маркировку и режимы термической обработки инструментальных сталей.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Металлографические микроскопы, образцы инструментальных сталей, атлас микроструктур.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

3.1 Типы и характеристики сталей

По назначению инструменты делятся на формообразующие и измерительные. Формообразующие инструменты подразделяются на режущие (резцы, фрезы, сверла, развертки), давящие (штампы, накатки) и ударные (зубила, пробойники). В свою очередь различают штампы холодного и горячего деформирования металлов («холодные» и «горячие» штампы).

Режущие инструменты, работающие в условиях больших нагрузок, высоких температур и трения, должны удовлетворять ряду особых эксплуатационных требований: твердость материала режущей части инструмента должна значительно превышать твердость материала заготовки, высокая прочность обеспечивает сопротивляемость инструмента деформациям в процессе резания, а достаточная вязкость материала инструмента позволяет ему воспринимать ударные динамические нагрузки, возникающие при обработке заготовок. Поскольку в процессе резания механическая энергия превращается в тепловую, режущая кромка инструмента нагревается до высоких температур.

Сталь в штампах испытывает значительные тепловые и ударные нагрузки, распределенные по значительной поверхности. Здесь наилучшей сталью является та, у которой при температурах, соответствующих условиям работы штампа, наблюдается оптимальное сочетание твердости и пластичности.

Условия работы измерительного инструмента приближаются к условиям работы режущего инструмента при легких режимах резания, различие состоит лишь в значительно меньших удельных давлениях на рабочие поверхности. Для разных видов инструмента применяют инструментальные стали разного типа.

Инструментальными сталями называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, применяемые для изготовления режущих, измерительных инструментов и штампов.

Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость (или красностойкость), то есть устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы. Различают инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3 - 4 % легирующих элементов ), полутеплостойкие (содержащие свыше 0,6 - 0,7 %C и 4 - 3 %Cr) и теплостойкие (высоколегированные стали ледебуритного класса, содержащие Cr, W, V, Mo, Co), получившие название быстрорежущих.

Основным элементом, определяющим высокую износостойкость инструментальных сталей, является углерод, так как твердость, а следовательно и износостойкость инструмента после термообработки зависит от содержания углерода в мартенсите. Наличие легирующих элементов в значительной степени влияет на прокаливаемость стали, а также увеличивает стабильность мартенсита при нагреве закаленной стали.

Углеродистые инструментальные стали (У7, У8Г, У12А, У8ГА) маркируют буквой У (углеродистая): следующая за ней цифра - средняя массовая доля углерода в десятых доля процента, буква Г говорит повышенном содержании марганца в данной стали, А - высококачественная, т.е. более чистая по сере и фосфору сталь.

Рисунок 1- Схема микроструктуры углеродистых инструментальных сталей

а) Сталь У8 после отжига - перлит зернистый

б) Сталь У8 после закалки и низкого отпуска - мартенсит отпуска

в) Сталь У12 после отжига - перлит зернистый + цементит вторичный г) СтальУ12 после закалки и низкого отпуска - мартенсит отпуска +цементит вторичный.

Доэвтэктоидные и эвтектоидные инструментальные стали в исходном (отожженном) состоянии имеют структуру зернистого перлита (рисунок 1). В структуре заэвтектоидных сталей дополнительно присутствует вторичный цементит. Стали с такой структурой имеют низкую твердость и хорошо обрабатываются резанием. Температура закалки у доэвтектоидных сталей должна быть выше верхней критической

точки Ас₃ (t = Ас₃ + 20 - 40), єС, а у эвтектоидных и заэвтектоидных выше нижней критической точки Ас₁ (t = Ас₁ + 20 - 40), єС, чтобы в результате закалки сталь получила мартенситную структуру. У заэвтэктоидных сталей при этом сохраняется вторичный цементит. Закалку проводят в воде или в водных растворах солей. После закалки инструментальные углеродистые стали подвергаются низкому отпуску при 150 - 170 єС (рис. 2), снимающего значительную часть закалочных напряжений при сохранении высокой твердости. Формируется структура мартенсит отпуска. У заэвтектоидных инструментальных сталей в структуре дополнительно присутствует вторичный цементит (рисунок 1). Поскольку углеродистые стали обладают низкой прокаливаемостью, из них изготовляют в основном инструмент небольшой толщины (напильники, ножовочные полотна, хирургический инструмент).



Рисунок 2 - График термической обработки заэвтектоидной инструментальной стали.

Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента только для резания материалов с низкой твердостью и с малой скоростью резания, так как при нагреве выше 190 - 200 єС их твердость резко снижается.

Легированная инструментальная сталь (X, 9X, 9XC, 6XBГ) производится в основном высококачественной , поэтому буква А в конце марки не ставится. Цифра в начале марки показывает среднюю массовую долю углерода в десятых долях процента. Если содержание углерода около 1 %, то цифра обычно отсутствует . Буквы означают легирующие элементы: А (внутри марки) - азот, В - вольфрам, Г - марганец, К - кобальт, М - молибден, Н - никель, С - кремний, Т - титан, - ванадий, Х - хром. Цифры, стоящие после букв, показывают среднюю массовую долю легирующего элемента в целых процентах. Отсутствие цифры после буквы означает, что содержание этого легирующего элемента находится в пределах от 0,1 до 1 %. Легированные инструментальные стали подобно углеродистым не обладают теплостойкостью и пригодны только для резания относительно мягких материалов с небольшой скоростью. Их используют для инструмента, не подвергаемого в работе нагреву свыше 200 - 250 єС. Легированные стали обладают большей прокаливаемостью, чем углеродистые.

Низколегированные стали (11Х, 13Х) рекомендуются для инструментов диаметром до 15 мм, а стали повышенной прокаливаемостью (9ХС, ХВСГ) имеют большую теплостойкость (250 - 280) єС, хорошие режущие свойства и сравнительно мало деформируются при закалке. Их используют для изготовления инструментов диаметром 60 - 80 мм.

Окончательная термическая обработка легированных сталей состоит из неполной закалки и низкого отпуска, подобно углеродистым (рисунок 2).

При неполной закалке изделие нагревают до t = Ас₁ + (30 - 50) єС, выдерживают и быстро охлаждают в масле или горячих средах, что уменьшает их коробление по сравнению с углеродистыми, охлаждаемыми в воде. Низкий отпуск проводят при температуре 150 - 180 єС.

Структура инструментальных легированных сталей после окончательной термической обработки состоит из отпущенного легированного мартенсита и легированного зернистого цементита, т .е. она качественно подобна структуре углеродистой заэвтектоидной инструментальной стали после аналогичной термообработки (рисунок 1).

Быстрорежущая сталь маркируется буквой Р, а следующая за ней цифра указывает среднюю массовую долю главного легирующего элемента быстрорежущей стали - вольфрама (Р18, Р6М5, Р10К5Ф5). Среднее содержание других легирующих элементов обозначается цифрой после соответствующей буквы. Среднее содержание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4 % и поэтому в обозначении марки стали не указывается. Кроме того, не указывается содержание молибдена до 1 % по массе и ванадия, если его содержание меньше, чем молибдена.

В быстрорежущих сталях теплостойкость достигается легированием карбидообразующими элементами (вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием) в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в специальные карбиды. Эти стали сохраняют мартенситную структуру при нагреве до 600 - 650 єС, поэтому применение их позволяет значительно повысить скорость резания (в 2 - 4 раза) и стойкость инструмента (в 10 - 30 раз) по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью.

Быстрорежущие стали относятся к карбидному классу. Их фазовый состав в отожженном состоянии представляет собой легированный феррит и карбиды Cr₇C₃, Fe₃W₃C₆, VC, в которых также растворен ванадий. В феррите растворена большая часть хрома: почти весь вольфрам, молибден и ванадий находятся карбидах. Количество карбидной фазы в быстрорежущих сталях достигает 22 - 30 %.

Рисунок 3 - Схема микроструктуы быстрорежущих сталей. а) Литая и отожженная - сорбитообразный перлит + карбиды +ледебуритная эвтектика

б) Горячедеформированная и отожженная - сорбитообразный

перлит + карбиды

в) Закаленная - мартенсит закалки + аустенит остаточный + карбиды

г) Отпущенная - мартенсит отпуска + карбиды.

В структуре литой бысторежущей стали присутствует сложная эвтектика, напоминающая ледебурит. В результате горячей механической обработки (ковки) сетка ледебуритной эвтектики дробится (рисунок 3). Для снижения твердости, улучшения обработки резанием и подготовки структуры стали к закалке после ковки быстрорежущую сталь подвергают отжигу при 800 - 860 єС. Для придания теплостойкости стали инструменты подвергают закалке и многократному отпуску (рисунок 4).

Рисунок 4 - График термической обработки быстрорежущей стали.

Режимы термической обработки инструментальных сталей приведены в табл. 1, 2, 3.

Температура закалки быстрорежущей стали принимают в интервале 1200 - 1290 єС. Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения карбидов и получения при нагреве аустенита, высоколегированного хромом, вольфрамом, молибденом и ванадием. Это обеспечивает получение после закалки мартенсита, обладающего высокой теплостойкостью. Однако даже при очень высоком нагреве растворяется только часть карбидов, примерно 30 - 60 % от имеющихся у различных марок быстрорежущих сталей.

Высоколегированный аустенит, полученный при нагреве под закалку , обладает большой устойчивостью, поэтому быстрорежущие стали имеют малую критическую скорость охлаждения (закалки) и могут закаливаться на воздухе. Однако на практике в качестве охлаждающей среды применяется масло.

Структура быстрорежущей стали после закалки представляет высоколегированный мартенсит, содержащий 0,3 - 0,4 %С, нерастворенные избыточные карбиды и высоколегированный остаточный аустенит, составляющий 25 - 35 %. Поскольку остаточный аустенит понижает режущие свойства стали, его присутствие в готовом инструменте недопустимо.

После закалки следует отпуск при 550 - 570 єС, вызывающий превращение остаточного легированного аустенита в легированный мартенсит и дисперсионное твердение в результате частичного распада мартенсита и выделения карбидов (рис. 3), что сопровождается увеличением твердости. Чтобы весь остаточный аустенит перевести в мартенсит и произошел отпуск вновь образовавшегося мартенсита, применяют многократный (чаще трехкратный) отпуск при 550 - 570 єС.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Схемы микроструктур исследуемых сталей.

4. Режимы термической обработки сталей.

5. Выводы.

3.2 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какими основными качествами должен обладать инструмент?

2. Наличие каких элементов в составе инструментальных сталей обеспечивает высокую твердость инструмента после закалки?

3. Какое основное назначение Cr, W, V, Mo в инструментальных сталях?

4. Как подразделяются стали по теплостойкости?

5. Что такое теплостойкость стали?

6. Какие инструменты требуют сплошной прокаливаемости?

7. Какие основные преимущества имеют легированные инструментальные стали перед углеродистыми?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990.

3. Материаловедение / Под. общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.

ПРИЛОЖЕНИЯ

твердость металл инструментальный сталь

Таблица 1. Режим термической обработки инструментальных углеродистых сталей

Марка	Отжиг		Закалка		Отпуск
стали
	Темпера	Твердость	Темпера	Среда ох	Темпера	Твердость
	тура, °С	НВ	тура, °С	лаждения	тура, °С	НRС
У7	690 - 710	187	800 - 820	Вода	150 - 160	62
У8	690 - 710	187	780 - 800	Вода	150 - 160	62
У10	750 - 770	197	770 - 810	Вода	150 - 160	63
У11	750 - 770	207	770 - 800	Вода	150 - 160	63
У13	750 - 770	217	760 - 790	Вода	150 - 160	63

Таблица 2Режимы термической обработки инструментальных легированных сталей

Марка	Отжиг			Закалка	Отпуск
стали
	Температу	Твердость	Температу	Среда	Темпера	Твердость
	ра,°С	HB		ра,°С	охл.	тура,°С	HB
X	770 - 790	225	-207	830	-860	Масло	180 - 200	66 - 59
9XC	790 - 810	255	- 207	820	- 860	Масло	140 - 160	60 - 62
XГСВФ	790 - 810	228	- 196	820	-850	Масло	140 - 160	61 - 63
ХГ	780 - 800	241	- 197	800	- 830	Масло	150 - 200	61 - 62
ХВГ	770 - 790	255	-207	820	- 840	Масло	160 - 180	62 - 63
ХВСГ	790 - 810	229	-197	840	- 860	Масло	160 - 180	62 - 63
ХСВФ	830 - 850	228	-187	840	- 860	Масло	170 - 180	61 - 63
3Х2В8Ф	1140 - 1160	255	- 207	1120 - 1160	Масло	550 - 560	45 - 51
4Х8В2	750 - 780	255	- 207	1120 - 1140	Масло	550 - 560	49 - 51

Таблица 3. Режимы термической обработки быстрорежущих сталей

Марка ста	Отжиг	Закалка
ли
	Темра	Твердость	Темра	Среда	Темра
	єС	НВ	єС	охл.	єС
Р18	830 - 850	207 - 255	1260 - 1300	Масло,	550 - 570	64 - 65
				соли
Р10К5Ф5	840 - 860	285	1220 - 1240	Масло,	575 - 585	65 - 67
				соли
Р9К5	840 - 860	269	1220 - 1240	Масло,	555 - 565	65 - 67
				соли
Р6М3	830 - 850	207 - 235	1210 - 1230	Масло,	555 - 565	65 - 66
				соли
Р18Ф2К8М	850 - 870	263 - 277	1220 - 1260	Масло,	560 - 570	67 - 68
				соли
Р9Ф5	840 - 860	269	1240 - 1260	Масло,	575 - 585	65 - 67
				соли
Р14Ф4	850 - 860	269	1240 - 1260	Масло,	575 - 585	67 - 68
				соли
Р18Ф2	840 - 860	269	1260 - 1380	Масло,	575 - 585	67 - 68

Размещено на Allbest.ru

...