Организация и технология контроля и испытаний качества, химического состава, свойств марки стали 4X5MФС

Микроструктура металлов и сплавов изучается на травленых шлифах. Травление обычно производится слабыми кислотами, щелочами или другими растворами, в зависимости от природы металла шлифа. Действие травления заключается в том, что он по-разному растворяет различные структурные составляющие, окрашивая их в разные тона или цвета. Границы зерен, отличающиеся от основного раствора имеют травимость обычно отличающуюся от основы и выделяется на шлифе в виде темных или светлых линий.

Видимые под микроскопом полиэдры зерен представляют собой сечения зерен поверхностью шлифа. Так как это сечение является случайным и может проходить на разных расстояниях от центра каждого отдельного зерна, то различие в размерах полиэдров не соответствует действительным различиям в размерах зерен. Наиболее близкой величиной к действительному размеру зерна являются наиболее крупные зерна.

При травлении образца, состоящего из однородных кристаллических зерен, например чистого металла, однородного твердого раствора и др. наблюдается часто различно протравленные поверхности разных зерен. Это явление объясняется тем, что на поверхности шлифа выходят зерна, имеющие различные кристаллографическую ориентировку, вследствие чего степень воздействия кислоты на эти зерна оказываются разной. Одни зерна выглядят блестящими, другие сильно протравливаются, темнеют. Это потемнение связано с образованием различных фигур травления, по-разному отражающих световые лучи. В случае сплавов, отдельные структурные составляющие образуют микрорельеф на поверхности шлифа, имеющий участки с различным наклоном отдельных поверхностей.

Нормально расположенные участки отражают наибольшее количество света и оказываются наиболее светлыми. Другие участки - более темные. Часто контраст в изображении зернистой структуры связан не со структурой поверхности зерен, а с рельефом у границ зерен. Существует 3 разновидности границ зерен. Кроме того, различные оттенки структурных составляющих могут являться результатом образования пленок, образованных при взаимодействии травителя со структурными составляющими.

С помощью металлографического исследования можно осуществлять качественное выявление структурных составляющих сплавов и количественное изучение микроструктур металлов и сплавов, во-первых, путем сравнения с известными изученными микросоставляющими структур и, во-вторых, специальными методами количественной металлографии.

Методы определения величины зерна:

1. Визуальный – сравнение видимых под микроскопом зерен при увеличении в 100 раз с эталонными или стандартными шкалами.

2. Подсчет числа зерен  приходящихся на единицу поверхности шлифа с определением среднего диаметра и средней площади зерна.

3.  Подсчет числа пересечений границ  зерен отрезками прямых с определением среднего условного диаметра (равноосные зерна), числа зерен в 1 мм3 (неравноосные зерна).

Методика контроля микроструктуры легированной инструментальной стали приведена в ГОСТ 5950-2000 [11]. Контролируемая структура:  зернистый перлит, карбидная сетка,  зерно аустенита.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Выбор режима термообработки, контроль механических свойств  стали 4Х5МФС

 

Термической обработкой называется технологический процесс, состоящий из совокупности операций нагрева, выдержки и охлаждения изделий из металлов и сплавов, целью которого является изменение их структуры и свойств в заданном направлении.

Теория термической обработки рассматривает и объясняет изменения строения и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии, а также при тепловом воздействии в сочетании с химическим, деформационным, магнитным и другими воздействиями.

Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в современной технике способов получения заданных свойств металлов и сплавов. Термическая обработка применяется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием и др., либо как окончательная операция для придания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который смог бы обеспечить заданные эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственнее изделие (конструкция), тем в нем больше термически обработанных деталей [12].

В результате термической обработки в сплавах происходят структурные изменения. После термообработки металлы и сплавы могут находиться в равновесном (стабильном) и неравновесном (метастабильном) состоянии. При охлаждении деталей (изделий) вместе с печью в них практически полностью проходят процессы вторичной кристаллизации и связанные с ними диффузионные превращения в металле или сплаве. В результате металл оказывается в состоянии, близком к равновесному (стабильному). При охлаждении на воздухе в металле происходят превращения, близкие к равновесным. При быстром охлаждении (масло, вода и др.) в металле не успевают проходить диффузионные процессы и связанные с ними превращения, поэтому он оказывается в неравновесном (частично неравновесном) состоянии.

Виды термической обработки подразделяются на три группы: собственно термическую, термомеханическую и химико-термическую.

1. Собственно термическая обработка (ТО) предусматривает только термическое воздействие на металл или сплав (отжиг, закалка, старение, отпуск);
2. термомеханическая (ТМО) - сочетание термического воздействия и пластической деформации;
3. химико-термическая (ХТО) - сочетание термического и химического воздействия (цементация, азотирование, обезуглероживание и др.).

 

Термообработка стали 4Х5МФС.

 

Для получения необходимых механических свойств стали 4Х5МФС применяют закалку при 1010-1030 ºС в масле и отпуск при температуре 550 ºС (ГОСТ 5950-2000).

Закалка стали состоит в нагреве ее выше температур фазовых превращений, выдержке для завершения всех превращений и охлаждении с высокой скоростью с целью получения при комнатной температуре неравновесных структур, обеспечивающих более высокую прочность и твердость стали.

Цель закалки - получение предельной твёрдости и прочности стали.

С закалкой стали связано понятие прокаливаемости. Под прокаливаемостью подразумевают способность стали закаливаться на определенную глубину. Прокаливаемость не надо смешивать с закаливаемостью, которая характеризуется максимальным значением твердости, приобретенной сталью в результате закалки. Прокаливаемость -одна из важнейших характеристик качества стали, во многом определяющая служебные свойства, надежность и долговечность работы машин. Знать фактическую прокаливаемость стали необходимо для её рационального применения.

Под прокаливаемостью понимают способность стали получать закаленный слой с мартенситной или троосто-мартенситной структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине изделия будет превышать критическую скорость закалки, то сталь получит мартенситную структуру по всему сечению и тем самым будет иметь сквозную прокаливаемость.

Масло как закалочная среда имеет следующие преимущества:

- небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов;

- постоянство закаливающей способности в широком интервале температур среды (20-150 °С).

Закалка - не окончательная операция термической обработки, так как после ее сталь становится не только прочной и твердой, но и очень хрупкой. Поэтому для уменьшения хрупкости, внутренних закалочных напряжений и получения требуемых прочностных свойств стали после закалки сталь подвергают отпуску.

Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 500-550 °С  
и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов.

 Цель среднего отпуска состоит в некотором снижении твердости при значительном увеличении предела упругости. Структура стали представляет собой троостит отпуска, обеспечивающий высокие пределы прочности, упругости и выносливости, а также улучшение сопротивляемости действию ударных нагрузок.

 

 

 

 

 

4 Механические свойства  стали 4Х5МФС 

 

Химический состав стали и вид термообработки определяют её механические свойства.

Механические свойства материалов - совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воздействующей на него нагрузке, его способность деформироваться при этом, а также особенности его поведения в процессе разрушения.

Механические свойства стали 4Х5МФС представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Механические свойства стали 4Х5МФС при Т = 20°С

Сортамент	Размер, мм	Напр.	σв, МПа	σт, МПа	δ5, %	ψ, %	KCU, кДж/м2	НВ	Термообр.
Сорт	10	-	1750	1480	-	-	570	241	Закалка в масло 1000-1020°С, Отпуск 530-560°С, Отпуск 500-520°С

 

Механические свойства стали 4Х5МФС в зависимости от температуры испытания и от температуры отпуска представлены в таблицах 3 и 4 соответственно.

Таблица 3 – Механические свойства стали 4Х5МФС в зависимости от температуры испытания

Температура испытания, °С	σв, МПа	σт, МПа	δ5, %	ψ, %	KCU, Дж/см2	HRCэ
Закалка 1000 °С, масло. Отпуск 560 °С, 2ч
20	1570	1710	12	54	51	50
300	1320	1540	12	48	61	50
400	1270	1470	12	49	62	52
500	1130	1370	10	52	55	47
550	1160	1290	12	50	50	44

 

Таблица 4 – Механические свойства стали 4Х5МФС в зависимости от температуры отпуска

Температура испытания, °С	σв, МПа	σт, МПа	δ5, %	ψ, %	KCU, Дж/см2	HRCэ
Закалка 1000 °С, масло. Выдержка при отпуске 2ч
500	1420	1720	12	45	49	50
550	---	1670	10	50	56	48
600	1350	1490	13	53	59	45
650	960	1080	15	60	79	34

 

Таблица 5 – Ударная вязкость стали 4Х5МФС  KCU, (Дж/см2)

Т = +20 °С	Т = -40 °С	Т = -70 °С	Термообработка
29	20	10	Закалка, отпуск 600 °С

 

Обозначения:

σв - предел кратковременной прочности, [МПа];

σт - предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации),[МПа];  
δ 5 - относительное удлинение при разрыве, [%];

ψ - относительное сужение, [%];

KCU - ударная вязкость, [кДж/м2];

НВ - твердость по Бринеллю (после отжига) [6].

Характеристики прочности:

- предел прочности σв – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву).

- условный предел текучести (предел пропорциональности) – это напряжение вызывающее остаточную деформацию δ = 0.20%.

Физический или условный предел текучести являются важными расчетными характеристиками материала. Действующие в детали напряжения должны быть ниже предела текучести. Равномерная по всему объему пластическая деформация продолжается до значения предела прочности.