Курс лекций по "Материаловедению"

Азотированию при температуре 500 - 600 ^оС с выдержкой до 60 часов подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку и высокий отпуск).

К азотируемым сталям относятся среднеуглеродистые стали, легированные хромом, молибденом, алюминием (38Х2МЮА, 35ХМА,  38Х2Ю).

Глубина азотированного слоя составляет 0,3 - 0,6 мм, скорость азотирования – 0,01 мм/ч и менее.

Твердость азотированного слоя по Виккерсу составляет ~ 1200HV.

Азотированию подвергают мерительный инструмент, гильзы, цилиндры, зубчатые колеса, шестерни, втулки, коленчатые валы.

 

14. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

 

Легирование - целенаправленное изменение состава материала путем введения легирующих элементов для изменения структуры и получения требуемых свойств.

 

14.1. Влияние легирующих элементов на превращения в сталях

 

Все элементы, которые  растворяются в железе, влияют на температурный  интервал существования его аллотропических  модификаций, т.е. сдвигают точки А₃ и А₄ по температурной шкале (рис.14.1). Элементы, которые только растворяются в феррите или цементите, не образуя специальных карбидов, оказывают лишь количественное влияние на процессы превращения. Карбидообразующие элементы вносят не только количественные, но и качественные изменения в кинетику изотермического превращения.

 

 

Легирующие элементы оказывают большое влияние на положение точек S (0,8 % С) и E (2,14 % С) диаграммы «железо-цементит» (рис. 7.1):

Ni, Co, W, Cr, Mn снижают, а V, Ti, Nb повышают.

Легирующие элементы в стали могут быть в твердом растворе, карбидной фазе или в виде интерметаллических соединений и влияют на свойства феррита и аустенита по мере увеличения их содержания в сталях (рис. 14.2).

 

При высоком содержании легирующих элементов часто образуются интерметаллические соединения: Fe₇Mo₆, Fe₂Mo₆, Fe₂W, Fe₇W₆; силициды: FeSi, Fe₃Si, Fe₅Si₃ (η - фаза), Fe Cr (σ - фаза).

По отношению к углероду легирующие элементы делятся на три  группы:

- графитизирующие - Si, Ni, Си, Al ;

- нейтральные - Со ;

- карбидообразующие (по  возрастающей степени сродства  к углероду и устойчивости  карбидных фаз располагаются  в следующем порядке: Fe → Mn → Cr → Mo → W→ Nb → V → Zn → Ti).

При малом содержании Mn, Сr, W, Mo карбидообразующие растворяются в цементите и образуют легированный карбид типа (FeMn)₃С; (FeCr)₃С. Более сильные карбидообразующие - Ti, Zn, V, Nb - образуют специальные карбиды (TiС, NbС, ZnС, VС).

Карбиды в легированных сталях можно разделить на две  группы: карбиды типа (М - металл) -  М₃С₂, М₇,С₃ , M₂₃C₆ и M₆C (M₄C), которые легко растворяются в аустените при нагреве и карбиды типа MC (TiС, NbС, ZnC), W₂C  и Мо₂C, являющиеся фазами внедрения и которые в реальных условиях не растворяются в аустените.

Все карбиды обладают высокой температурой плавления  и высокой твердостью. Чем дисперснее карбиды, тем выше прочность и твердость. 

 

14.2. Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита

 

Некарбидообразующие элементы, кроме Со, замедляют кинетику распада аустенита (рис.14.3,а).

Карбидообразующие элементы вносят не только количественные, но качественные изменения в кинетику изотермического превращения аустенита (рис.14.3,б).

 

Наиболее важной способностью легирующих элементов является замедление скорости распада аустенита в  районе перлитного превращения (смещение линии вправо). Это снижает критическую скорость закалки и способствует глубокой прокаливаемости.

Сильно увеличивается  прокаливаемость стали при легировании Cr, Ni, Mo, Mn, и особенно она увеличивается  при совместном легировании несколькими элементами (Cr + Ni + Mo).

Эффективно влияют на прокаливаемость малое количество бора (оптимально 0,002 - 0,006 %). При большом  содержании бора образуются бориды и  прокаливаемость уменьшается.

 

14.3 Влияние легирующих  элементов на мартенситное превращение   

 

Легирующие элементы, меняя температурный интервал М_н и М_к (рис.14.4), уменьшают или увеличивают количество остаточного аустенита.

Все легирующие элементы уменьшают склонность аустенитного зерна к росту; исключение составляют марганец (Мn) и бор (В).

 

Легирующие элементы замедляют распад мартенсита при  отпуске (весьма существенно Сг, Mо, Si, Ti) и повышают температуры фазовых превращений, тем самым повышая красностойкость стали.

 

14.4. Классификация легированных сталей

 

Классификация легированных сталей производится по следующим признакам:

- по равновесной структуре;

- по структуре после охлаждения на воздухе;

- по составу;

- по назначению.

По равновесной структуре легированные стали делятся на:

- доэвтектоидные стали, имеющие в структуре избыточный феррит;

- эвтектоидные, имеющие перлитную структуру;

- заэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный вторичный карбид;

- ледебуритные стали,  имеющие в структуре первичные карбиды, выделяющиеся из жидкой фазы.

Пример: При содержании 5 % Сr сталь с 0,6 % С является заэвтектоидной, а с 1,5 % С - ледебуритной.

По структуре после охлаждения на воздухе (рис.14.5) выделяют три основных класса легированных сталей: перлитный, мартенситный, аустенитный.

По составу стали делятся на:

- никелевые;

- хромистые;

- кремнистые;

- хромоникельмолибденовые.

По  назначению легированные стали делятся на:

- конструкционные (цементуемые, улучшаемые), строительные низколегированные;

- инструментальные: для режущего инструмента (быстрорежущие); для штампового инструмента; для мерительного инструмента;

- стали и сплавы с особыми свойствами: нержавеющие, жаростойкие, теплостойкие, с особенностями теплового расширения, с особыми магнитными свойствами.

 

14.5. Принципы комплексного легирования

 

Всё чаще в промышленности разрабатываются и применяются новые комплексно легированные стали и сплавы. Такой подход позволяет сократить расход дорогостоящих легирующих элементов (например, вольфрам) не снижая, а, как правило, повышая многие свойства сталей и сплавов.

Комплексное легирование  проводится для того, чтобы:

- повысить устойчивость аустенита к переохлаждению и распаду, так как легирующие элементы снижают критическую скорость закалки;

- увеличить прокаливаемость;

- уменьшить склонность стали к pocту аустенитного зерна;

- увеличить степень дисперсности карбидных фаз после закалки и отпуска;

- упрочнить феррит;

- повысить температуру рекристаллизации;

- уменьшить склонность стали к отпускной хрупкости;

- улучшить обрабатываемость сплава;

- уменьшить склонность стали к деформации (короблению) при термической обработке (так как используются "мягкие" охлаждающие среды);

- увеличить запас вязкости и сопротивление хладноломкости;

- увеличить эксплуатационную надежность детали;

- улучшить свариваемость.

Легированные стали  без термической обработки не применяются.

 

14.6. Технологические особенности термической обработки легированной стали

 

Легирование, изменяя  скорости и температуры фазовых  превращений, а также тепловые характеристики (теплопроводность) стали, существенно  влияет на режим термической обработки.

Нагрев под закалку  необходимо проводить медленно, так  как легирование уменьшает теплопроводность стали. Время выдержки увеличивается  для завершения фазовых превращений  и выравнивания состава. Температура  нагрева под закалку легированной стали выше, чем у нелегированной углеродистой при одинаковом содержании углерода.

Охлаждение легированных сталей после нагрева и выдержки проводится со значительно меньшей  скоростью (масло, воздух), чем нелегированных углеродистых.

Так кaк легирующие элементы снижают М_н и увеличивают количество остаточного аустенита, для более полного превращения аустенита в мартенсит дополнительно проводят обработку стали холодом, либо проводят два или три отпуска. Такая обработка повышает твердость после отпуска за счёт распада остаточного аустенита на мартенсит отпуска.

 

14.7. Особенности отпуска легированной стали

 

Легирующие элементы оказывают количественное и качественное влияние на фазовые превращения  при отпуске.

Количественное влияние заключается в изменении скоростей и температурных интервалов фазовых пpeвращений при отпуске. 

I превращение в стали (П→ А) сопровождается выделением углерода из мартенсита ( с/а → 1). В углеродистых сталях тетрагональность решетки стали исчезает при 300 °С. С введением Сг, V, Ti, W, Mo, Si эта температура поднимается до 450 – 500 ^оС и повышается красностойкосгь стали.

При II - ом превращении в стали (А → Ф + Ц) легирующие элементы повышают устойчивость переохлажденного аустенита, тем самым увеличивая кoличество остаточного аустенита (до 30 %), который при отпуске  превращается в мартенсит отпуска при более высокой температуре, чем у не легированных сталей. Вольфрам (W) и хром (Cr) повышают температуру коагуляции до 450 ^оС, молибден (Mo) - до 550 °С. Карбидообразующие элементы замедляют процесс коагуляции.

Качественное влияние легирующих элементов при   отпуске легированных сталей заключается в появлении новых эффектов при отпуске закаленных сталей: карбидного превращения и вторичной твердости.

После III –го превращения (А → М), которое идет при более высокой температуре (450-500 ^оС), некарбидообразующие элементы (Co, Ni, Si)  диффундируют из цементита в перлит (Ц→ П), карбидообразующие (Cr, Mn, W, Mo) из феррита в цементит (Ф → Ц).

В момент предельного  насыщения цементита легирующим элементом происходит карбидное превращение; легированный цементит превращается в специальный карбид (Fe Ме)₃С, (Cr Fe)₂₃C₆.

Явление вторичной твердости заключается в повышении твердости после отпуска в интервале достаточно высоких температур 500 - 600 °С. Это явление связано с превращением остаточного аустенита в мартенсит и образованием высоко дисперсных спецкарбидов, которые заклинивают плоскости скольжения и повышают твердость.

 

15. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

Конструкционными называют материалы, предназначенные для  изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам.

Выбор стали для изготовления деталей определяется:

- условиями работы;

- величиной и характером напряжений, возникающих в процессе эксплуатации;

- размерами и формой детали.

Выбранная сталь должна удовлетворять эксплуатационным, технологическим  и экономическим требованиям.

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение, так  как должны обеспечить работоспособность, надежность и конструктивную прочность материала.

Конструктивная  прочность - это определенный комплекс механических свойств, обеспечивающий длительную и надежную работу материала в условиях его эксплуатации.

Конструктивная прочность  определяется четырьмя основными критериями: жесткостью, прочностью, сопротивлением хрупкому разрушению, надежностью.

Жесткость конструкции - структурно не чувствительная характеристика, зависящая только от природы материала (межатомных связей). Показателем жесткости является модуль продольной упругости (Е) (модуль жесткости). Обычно в совокупности с Е учитывают плотность (γ ) материала и используют критерий   удельной жесткости (Е / γ) , что очень важно в самолетостроении.

Прочность - способность конструкции сопротивляться деформациям и разрушениям. Характеристики прочности определяют в результате статического испытания на растяжение (σ_в ; σ_0,2). Эти характеристики зависят от структуры стали и термической обработки. Прочность изменяется в широких пределах от 100 до 3500 МПа. Как и в случае жесткости, обычно учитывают плотность материала и оперируют понятиями удельной прочности:

σ_в / γ ; σ_0,2 / γ.

По этим показателям  высшие значения имеют титановые  сплавы.

Модуль упругости Е и предел текучести σ_0,2 являются расчетными характеристиками, определяющими допустимую нагрузку.

Надежность - свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки (в часах). Главный показатель надежности - запас вязкости материала.

Сопротивление материала хрупкому разрушению является важнейшей характеристикой, определяющей надежность.

Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния (невозможность дальнейшей эксплуатации). Долговечность зависит от условий эксплуатации и определяется: