Практическая работа
Тема: МИКРОСТРУКТУРА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Цель работы: научиться самостоятельно анализировать структуры и по виду определить структурные составляющие легированных сталей с помощью фотографий.
Приборы, материалы и инструменты.
1. Фотография микроструктур изучаемых сталей.
2. Циркуль и линейка.
Рекомендуемая литература:
Кузьмин Б.А. Самохоцкий А.И. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. – М., Высш. Школа, 1997.
Легированные стали классифицируются по назначению, составу, количеству легирующих элементов и структуре.
В зависимости от назначения легированные стали делятся на:
• Конструкционныестали (цементируемые, улучшаемые,пружинно
рессорные и др.), применяемые для изготовления деталей машин: •Инструментальные стали, применяемые для изготовления режущего, измерительного и штамповогоинструмента;
• Стали с особыми свойствами, например, нержавеющие, жаропрочные жаростойкие и т.д.
Низкоуглеродистые стали (цементитные)
К низкоуглеродистым сталям относятся стали с содержанием углерода до 0,25%, например, марок 15Г; 20Х; 18хГТ; 20х2Н4А и др.
Легированные низкоуглеродистые стали после отжига имеют структуру феррит +перлит, а так же после закалки малоуглеродистый мартенсит.
Установлено, что добавки азота вместе с нитридообразующими элементами способствует значительному измельчению зерна и повышению температуры начала роста зерна аустенита. Нитриды влияют на свойства стали также путём воздействия на кинетику превращения аустенита и на дисперсное твердение.
Высокая пластичность, мелкое зерно и особенно высокая температура его роста способствуют получению качественных сварных соединений листов толщиной от 20 мм - сталь с нитридами алюминия и до 100 мм (сталь с нитридами ванадия). Низколегированная сталь с нитридным упрочнением удовлетворительно деформируется в холодном и горячем состояниях. Сталь такого типа характеризуется высоким сопротивлением хрупкому разрушению и достаточно низким порогом хладно ломкости.
В настоящее время для изготовления различного рода сварных конструкций деталей и узлов используется большое число марок малоуглеродистых и среднелегированных сталей, соответствующих ГОСТ 380-7.1; 5521-67; 6713-75; 1050-75; 19282-73, а также техническим условиям и отраслевым стандартам.
Согласно ГОСТ 19282-73, предусматривается выпуск 28 марок низколегированной стали, применяемой для сварных конструкций в промышленном и гражданском строительстве и машиностроении.
Химический состав (%) некоторых цементуемых (низколегированных) сталей (ГОСТ 1050-74 и 4543-71)
| Маркастали | Элементы | Другиеэлементы | |||
| C | Mn | Cr | Ni | ||
| 20Х | 0,17-0,23 | 0,5-0,8 | 0,7-1,0 | ≤0,25 | — |
| 15ХФ | 0,12-0,18 | 0,4-0,7 | 0,8-1,1 | ≤0,25 | 0,06-0,12 V |
| 12ХН2 | 0,09-0,16 | 0,3-0,6 | 0,6-0,9 | 1,5-1,9 | — |
| 12ХН3А | 0,09-0,16 | 0,3-0,6 | 0,6-0,9 | 2,75-3,15 | — |
| 20Х2Н4А | 0,16-0,22 | 0,3-0,6 | 1,25-1,65 | 3,25-3,65 | — |
| 18ХГТ | 0,17-0,23 | 0,8-1,1 | 1,0-1,3 | ≤0,25 | 0,03-0,09 Ti |
| 25ХГТ | 0,22-0,29 | 0,8-1,1 | 1,0-1,3 | ≤0,25 | 0,03-0,09 Ti |
| 18Х2Н4МА | 0,14-0,20 | 0,25-0,55 | 1,35-1,65 | 4,0-4,4 | 0,3-0,4 Mo |
| 20ХГНР | 0,16-0,23 | 0,7-1,0 | 0,7-1,0 | 0,8-1,1 | 0,001-0,005В |
Цементуемые легированные стали целесообразно применять для тяжело нагруженных деталей и в том числе для деталей, в которых необходимо иметь высокую твёрдость и вязкость поверхностного слоя и достаточно прочную сердцевину. В легированных цементуемых сталях, несмотря на небольшое содержание углерода, благодаря значительному количеству легирующих примесей, гораздо легче получить при термический обработке более высокую прочность и вязкость сердцевины из-за образования в ней структур бейнита или низкоуглеродистого мартенсита. Поэтому из них изготовляют ответственные детали.
Стали хромистые (20Х), хромованадиевые (15ХФ), хромоникелевые (12ХН2). Их при меняют для изготовления деталей небольших и средних размеров, работающих на износ при повышенных нагрузках (втулки, валики, оси, некоторые зубчатые колёса, кулачковые муфты, поршневые пальцы и др.).
Стали хромоникелевые (12ХН3А, 20Х2Н4А), хромомарганцетитановые (18ХГТ, 25ХГТ), хромоникельмолибденовые (18Х2Н4МА). Их применяют для деталей средних и больших размеров, работающих на износ при высоких нагрузках (зубчатые колёса, поршневые пальцы, оси, ролики и др.).
Хромоникелевые стали мало чувствительны к перегреву, хорошо прокаливаются, но их применяют ограниченно из-за дефицитности никеля. Поэтому во всех случаях, когда нет крайней необходимости, хромоникелевые стали заменяют сталями без никеля.
Цементуемые хромомарганцетитановые стали (18ХГТ, 25ХГТ) являются заменителями хромоникелевых сталей. Преимуществом сталей 18ХГТ и 25ХГТ является их наследственная мелкозернистость (размер зерна №6-8). Это технологическое свойство позволяет значительно сократить общий технологический цикл обработки и закаливать детали из этих сталей непосредственно из цементационной (газовой) печи с предварительным подстуживанием.
Борсодержащие стали (20ХГНР). В конструкционные стали бор вводят в количестве от 0,001 до 0,005% (так называемое микролегирование). Бор повышает плотность слитка, устраняет дендритную структуру. Стали с бором легче обрабатываются при горячей пластической деформации, хорошо обрабатываются резанием.
Улучшаемые (среднелегированные) стали
Эти стали называют улучшаемыми потому, что их часто подвергают улучшению—термической обработке, заключающейся в закалке и отпуске при высоких температурах. Улучшаемые стали должны иметь высокую прочность, пластичность, высокий предел выносливости, малую чувствительность к отпускной хрупкости, должны хорошо прокаливаться. Химический состав некоторых улучшаемых сталей приведён в таблице:
Химический состав (%) некоторых улучшаемых среднелегированных сталей (ГОСТ 1050-74 и 4543-71)
| Маркастали | Элементы | Другиеэлементы | |||
| C | Mn | Cr | Ni | ||
| 45Х | 0,41-0,49 | 0,5-0,8 | 0,8-1,1 | ≤0,25 | — |
| 30ХРА | 0,27-0,33 | 0,5-0,8 | 1,0-1,3 | ≤0,25 | 0,001-0,005В |
| 30ХГСА | 0,28-0,34 | 0,8-1,1 | 0,8-1,1 | ≤0,25 | 0,9-1,2Si |
| 45ХН | 0,41-0,49 | 0,5-0,8 | 0,45-0,75 | 1,0-1,4 | — |
| 40ХН2МА | 0,37-0,44 | 0,5-0,8 | 0,6-0,9 | 1,25-165 | 0,15-0,25Мо |
Хромистые стали (40Х,45Х). Благодаря высокой прочности и достаточно хорошей прокаливаемости эти стали применяют для изготовления коленчатых валов, зубчатых колес, осей валиков, рычагов, втулок, болтов, гаек. Детали из этих сталей закаливают в масле с температуры 820-8500С. В зависимости от предъявляемых требований отпуск деталей проводят при различных температурах.
Хромистые стали с 0,001-0,005% бора (30ХРА, 40ХР).Они имеют повышенную прочность и прокаливаемость.
Хромокремнемарганцевые стали (30ХГСА, 35ХГСА). Эти стали, называемые хромансиль. Не содержат дифицитных легирующих элементов. Имеют высокие механические свойства. Хорошо свариваются и заменяют хромоникелевые и хромомолибденовые стали.
Хромоникелевые стали (40ХН, 45 ХН). Они имеют после термической обработки высокую прочность и пластичность и хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Прочность стали придает хром, а пластичность – никель. Хромоникелевые стали прокаливаются на очень большую глубину по сравнению не только с углеродистыми, но и другими легированными сталями. Указанные стали применяют для изготовления ответственных сильно нагруженных деталей – для шестерен, валов и т.п.
Хромоникельмбденовая сталь (40ХН2МА). Эта сталь в улучшенном состоянии имеет высокую прочность при хорошей вязкости, высокую усталостную прочность, глубоко прокаливается; ее применяют для изготовления сильно нагруженных деталей, работающих в условиях больших знакопеременных нагрузок. Улучшение проводят по режиму: закалка с 8500С в масле, отпуск при 6200С.
Пружинно–рессорные стали
Пружинно-рессорные стали должны иметь особые свойства в связи с условиями работы пружин(цилиндрических, плоских) и рессор. Пружины и рессоры служат для смягчения толчков и ударов, действующих на конструкции в процессе работы, и поэтому основным требованием, предъявляемым к пружинно-рессорным сталям, являются высокий предел упругости и выносливости. Этим условиям удовлетворяют углеродистые стали и стали, легированные такими элементами, которые повышают предел упругости. Такими элементами являются Si, Мn, Cr, V, W. Специфическим в термической обработке рессорных листов и пружин является применение после закалки отпуска при температуре 400-5000С (в зависимости от стали). Это необходимо для получения наиболее высокого предела упругости, величина которого при более низкой или более высокой температуре отпуска получается недостаточной. Отпуск при температуре 400-5000С дает отношение σуп/σв приблизительно равное 0,8.
Химический состав (%) некоторых пружинно-рессорных сталей (ГОСТ 14959 – 69)
| Маркастали | Элементы | Другиеэлементы | ||
| C | Si | Mn | ||
| 65Г | 0,62-0,70 | 0,17-0,37 | 0,90-1,20 | ≤0,25Cr |
| 60С2 | 0,57-0,65 | 1,50-2,00 | 0,60-0,90 | ≤0,30Cr |
| 50ХГ | 0,46-0,54 | 0,17-0,37 | 0,70-1,00 | 0,90-1,20Cr |
| 50ХФА | 0,46-0,54 | 0,17-0,37 | 0,50-0,80 | 0,80-1,10Cr0,10-0,20V |
| 65С2ВА | 0,61-0,69 | 1,50-2,00 | 0,70-1,00 | ≤0,30Cr0,80-1,20W |
| 60С2Н2А | 0,56-0,64 | 1,40-1,80 | 0,40-0,70 | ≤0,30Cr1,40-1,70Ni |
| 70С2ХА | 0,65-0,75 | 1,40-1,70 | 0,40-0,60 | 0,20-0,40Cr |
Шарикоподшипниковые стали