Быконя Л.А. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 10 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -91-

Таблица 10.1

Химический состав сталей для определения вида термической обработки

Марка

стали

Химический состав, %

Номер

образца

Вид термической

обработки

Твердость

по Бринеллю, НВ

С Мn Si Cr Ni Mo

30Г 0,25–0,35 0,7–1,0 0,17–0,37 0,3 0,3

До термообработки –

прокат

1 370

Закалка 830–850 °С

Отпуск 350–380 °С

4 300

40Х 0,35–0,45 0,5–0,6 0,17–0,37 0,8–1,1 0,3

1 Отжиг 830 °С 1 700

Закалка 830–860 °С

Отпуск 550–600 °С

2 690

35ХМА 0,32–0,40 0,4–0,7 0,17–0,37 0,8–1,1 0,3 0,15–0,25

1 Отжиг 850 °С 2 070

2 Закалка 820 °С 6 000

45ХНМФА 0,34–0,48 0,5–0,6 0,17–0,37 0,8–0,11 1,3–1,8 0,2–0,3

1 Закалка 860 °С 6 700

2 Отпуск 560 °С 2 350

ЛАБ. Р. 10 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ



Материаловедение. Лаб. практикум -92-

1. Рассмотреть под микроскопом все шлифы коллекции.

2. Определить микроструктуру образцов, представленных в табл. 10

.1,

сопоставить эту структуру с термической или термохимической обработкой,

которым подвергался каждый образец.

3. Зарисовать структуры в кружке диаметром 50 мм. Подписать на-

именование структурных составляющих за пределами кружка и соединить их

стрелками с соответствующими частями рисунка.

4. Определить виды сталей, представленных в коллекции, в зависимо-

сти от содержания в них углерода.

5. Сделать вывод о том, какой вид те

рмической обработки для иссле-

дуемых сталей будет оптимальным.

6. Ответить на вопросы индивидуального задания.

Отчет о лабораторной работе должен включать:

1) зарисовки микроструктуры легированных конструкционных сталей;

2) ответы на вопросы индивидуального задания.

1. В результате термической обработки пружины должны получить

высокую упругость. Для изготовления их выбрана сталь 55ГС:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан-

ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его

обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле-

ментов на превращения, происходящие на всех этапах терм

ической обработки.

2. В результате термической обработки рычаги должны получить по-

вышенную прочность по всему сечению (твердость НВ 2 300–2 800). Для из-

готовления их выбрана сталь 40ХН:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан-

ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его

обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле-

ментов на прев

ращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

3. В результате термической обработки тяги должны получать повы-

шенную прочность по всему сечению (твердость НВ 2300–2800). Для изго-

товления их выбрана сталь 30ХГС:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан-

ная сталь по назначению;

ЛАБ. Р. 10 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Задания к лабораторной работе



Материаловедение. Лаб. практикум -93-

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его

обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле-

ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

4. Сталь 40ХНМА применяется для изготовления ответственных дета-

лей больших сечений:

а) расшифровать состав стали;

б) назначить режим термической обработки готовых деталей, обосно-

вать его. Объяснить роль молибдена в данной стали в св

язи с явлением отпу-

скной хрупкости.

5. Для изготовления молотовых штампов выбрана сталь 4ХС:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан-

ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его

обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле-

ментов на прев

ращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

6. В результате термической обработки рычаги должны получить по-

вышенную прочность по всему сечению (твердость НВ 2 300–2 800). Для из-

готовления их выбрана сталь 30ХГСНА:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан-

ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подро

бное его

обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле-

ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

7. Для некоторых деталей (щеки барабанов, шары дробильных мель-

ниц и т. д.) выбрана сталь 110Г13:

а) расшифровать состав и определите группу стали по назначению;

б) назначить режим термической обработки изделий.

8. Назначить марку стали для изготовления пружин с пределом пр

оч-

ности 1 200–1 300 МПа:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан-

ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его

обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле-

ментов на превращения, происходящие на всех этапах терм

ической обработки.

9. Для деталей, работающих в окислительной атмосфере при 800 °С,

применяется сталь 12Х17:

а) расшифровать состав и определить группу стали по структуре;

б) объяснить назначение хрома в данной стали;

в) обосновать выбор стали для данных условий работы.

10. Для изготовления деталей, работающих в активных коррозионных

средах, выбрана сталь 12Х18Н9Т:

а) расшифровать со

став и определить группу стали по назначению;

б) объяснить назначение введения легирующих элементов в эту сталь;

ЛАБ. Р. 10 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Задания к лабораторной работе



Материаловедение. Лаб. практикум -94-

в) назначить и обосновать режим термической обработки и описать

структуру стали после обработки.

11. Назначить марку стали для изготовления пружин с пределом

прочности 1600 МПа:

а) расшифровать состав стали;

б) описать влияние легирующих элементов, входящих в сталь, на ре-

жим термической обработки и структурные превращения, происходящие при

термической обработке.

12. Для изготовления деталей горячих штампов выбрана сталь 5ХНМ:

а) расшифровать состав и определить, к ка

кой группе относится дан-

ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его

обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле-

ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

13. В результате термической обработки рессоры должны получ

ить

высокий предел упругости. Для изготовления их выбрана сталь 60С2А:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан-

ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его

обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле-

ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

14. В рез

ультате термической обработки рессоры должны обладать

высоким пределом упругости. Для изготовления их выбрана сталь 60СГ:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан-

ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его

обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле-

ментов на прев

ращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

15. В результате термической обработки оси должны получить повы-

шенную прочность по всему сечению (твердость НВ 2 300–2 800). Для изго-

товления их выбрана сталь 40Х:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан-

ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его

обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле-

ментов на прев

ращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

16. В результате термической обработки валы 60 мм должны получить

повышенную прочность по всему сечению (твердость НВ 2 300–2 800). Для

изготовления их выбрана сталь 40ХНМА:

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан-

ная сталь по назначению;

ЛАБ. Р. 10 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Задания к лабораторной работе



Материаловедение. Лаб. практикум -95-

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его

обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле-

ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

17. Описать технологию термомеханической обработки (ВТМО) стали

35ХМА для буровых штанг.

18. В результате термической обработки рессоры должны получить

высокую упругость. Для их изготовления выбрана сталь 70СЗА:

а) расшифровать состав и определить, к ка

кой группе относится дан-

ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его

обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле-

ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

19. В результате термической обработки шестерни должны получить

твердый износоустойчивый поверхностный сло

й при вязкой сердцевине. Для

их изготовления выбрана сталь 18ХГТ.

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан-

ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической и химико-термической обработки,

привести его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения,

происходящие на всех этапах обработки данной стали. Описать структуру и

свойств

а стали после термической обработки.

20. Для изготовления матриц штампов холодной штамповки выбрана

сталь 4ХВ2С. Выполнить применительно к данной стали все условия, приве-

денные в задании 19, а также указать, какие свойства материала инструмента

обеспечивают его нормальную работу.

21. Для изготовления фрез выбрана сталь Р18. Указать, какие свойства

материала инструмента обеспечивают его нормальную работу.

а) расшифровать состав и определить, к ка

кой группе относится дан-

ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его

обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле-

ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

22. Для изготовления фрез выбрана сталь Р10К5Ф5. Ук

азать, какие

свойства материала инструмента обеспечивают его нормальную работу.

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан-

ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки, привести подробное его

обоснование, объяснить влияние входящих в данную сталь легирующих эле-

ментов на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки.

23. В рез

ультате термической обработки шестерни должны получить

твердый износоустойчивый поверхностный слой при вязкой сердцевине. Для

их изготовления выбрана сталь 12ХН3А.

ЛАБ. Р. 10 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Задания к лабораторной работе



Материаловедение. Лаб. практикум -96-

а) расшифровать состав и определить, к какой группе относится дан-

ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической и химико-термической обработки,

привести его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения,

происходящие на всех этапах обработки данной стали. Описать структуру и

свойства стали после термической обработки.

24. Для изготовления пресс-форм выбрана сталь 3Х2В8.

а) расшифровать состав и определить, к какой группе от

носится дан-

ная сталь по назначению;

б) назначить и обосновать режим термической обработки, объяснив

влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах терми-

ческой обработки данной стали. Описать структуру и свойства стали после

термической обработки.

25. В машиностроении используется сталь ШХ15.

а) расшифровать состав и определить, к какой группе от

носится дан-

ная сталь по назначению;

б) назначить режим термической обработки и привести его обоснова-

ние. Описать структуру и свойства стали после термической обработки.

1. Какие стали называются легированными?

2. Как классифицируются легирующие элементы по их влиянию на α-

и γ-модификации?

3. Каково отношение легирующих элементов к углероду?

4. Как влияют легирующие элементы на свойства феррита?

5. Как влияют легирующие элементы на превращения при закалке и

отпуске стали?

6. Привести классификацию легированных сталей.

7. Как влияют марганец, хром, молибден, никель на св

ойства конст-

рукционных легированных сталей?



Материаловедение. Лаб. практикум -97-

Изучить влияние легирующих элементов и различных видов термиче-

ской обработки на структуру и свойства инструментальных сталей.

Оптический микроскоп МИМ-7; коллекция микрошлифов инструмен-

тальных сталей; плакаты, альбомы с изображением различной микрострукту-

ры легированной стали.

Инструментальные стали – это большая группа сталей, которые в ре-

зультате термической обработки обладают высокой твердостью, прочностью

и износостойкостью необходимыми для обработки материалов резание и

давлением. Многие инструментальные стали, кроме того, обладают тепло-

стойкостью (красностойкостью), т. е. способностью сохранять эти свойства при

нагреве, часто возникающим в рабочей кромке инструментов, например, при

резании с пов

ышенной скоростью, при деформировании в горячем состоянии и

т. д.

Многочисленные инструментальные стали по химическому составу,

могут быть разделены условно на две группы:

1) углеродистые и малолегированные, содержащие до 4–5 % леги-

рующих элементов – это нетеплостойкие стали;

2) высоко- и сложнолегированные, содержащие более 5 % (и даже

до 40–45 %) легирующих элементов, – это теплостойкие стали.

Классификация по свойствам и прежде всего по теплостойкости явля-

ется наиболее важной, так как она одновременно характеризует природу уп-

рочнения, вызываемого термической обработкой, и определяет условия ис-

пользования сталей для инстументов.

Инструментальные стали подразделяются на три группы: 1) нетепло-

стойкие; 2) полутеплостойкие; 3) теплостойкие.

Нетеплостойкие стали. Эти стали приобретают высокую твердость,

износостойкость и прочность в результате мартенситного превращения при

закалке. Однако эти свойства сохраняются лишь при невысоком нагреве. От-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 11 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -98-

пуск выше 200–300 ºС вызывает почти полный распад мартенсита и значи-

тельную коагуляцию выделившихся карбидов; это снижает твердость, изно-

состойкость и прочность (рис. 11.1

). По химическому составу нетеплостой-

кие стали – углеродистые или малолегированные, по структурному признаку

– заэвтектоидные, эвтектоидные, доэвтектоидные.

Нетеплостойкие стали – высокой твердости и повышенной вязкости –

как менее легированные различают по прокаливаемости.

Рис. 11.1. Твердость инструментальных

сталей при нагреве

Это обусловлено тем, что изготовляемые из этих сталей инструменты

имеют различные размеры: от 0,1 до 1 мм и менее – мелкие сверла, пилы и т. д.

до 200–250 мм – штампы. Нетеплостойкие стали делят на подгруппы: а) ста-

ли небольшой прокаливаемости – углеродистые, низколегированные, прока-

ливающиеся в образцах диаметром 10–15 мм, б) стали повышенной прокали-

ваемости (с большим содержанием легирующих элементов), прокаливаю-

щиеся в обра

зцах до 50–80 мм, в) стали высокой прокаливаемости, прокали-

вающиеся в образцах диаметром 80–110 мм.

Полутеплостойкие стали. Характерные стали – высокохромистые

(3–18 % Cr), высокоуглеродистые (1–1,5 % C), главным образом ледебурит-

ные. Часть из них имеет, кроме того, повышенное содержание ванадия. По-

добно сталям предыдущей группы, они приобретают высокую твердость и

прочность в результате мартенситного превращения при закалке. Однако при

отпуске 250–400 °С в них выделяются карбиды хрома и легированный це-

ментит, обладающий большой устойчивостью против коагуляции, вследстви

чего эти стали сохраняют повышенную твердость до более высоких темпера-

тур.

Теплостойкие стали. К этой группе относятся высоколегированные

стали, приобретающие высокую твердость, прочность и износостойкость в

результате двойного упрочнения: а) мартенситного при закалке и б) диспер-

сионного твердения при относительно высоком отпуске (500–625 °С, вызы-

ваемом выделением упрочняющих фаз. Такими фазами для большинства ста-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 11 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -99-

лей являются сложные карбиды вольфрама, молибдена, а также карбиды ва-

надия, создающие карбидное упрочнение, а у некоторых сталей и сплавов –

интерметаллиды, создающие интерметаллидное упрочнение. Карбиды на-

званных элементов выделяются из мартенсита и коагулируют при 500–650

°С, а интерметаллиды – при 650–720 °С. Свойства, полученные термической

обработкой, сохраняются при высоком нагреве.

Стали с карбидным упрочнением при повышенном содержании угле-

рода (> 0,6 %) – ледебуритные, их называют быстрорежущими, они пред-

став

ляют одну из наиболее характерных и часто применяемых групп инстру-

ментальных сталей. При меньшем содержании углерода и легирующих эле-

ментов стали с карбидным упрощением – заэвтектоидные (их используют

преимущественно как штамповые для горячего деформирования).

Таким образом, нетеплостойкие и теплостойкие стали незначительно

различаются по тв

ердости, прочности и износостойкости при нормальных

температурах, но при нагреве эти важнейшие свойства изменяются.

По назначению инструментальные стали делятся на следующие группы:

– для режущего инструмента (углеродистые, низколегированные и

быстрорежущие стали);

– для штампового инструмента при холодной деформации;

– для штампового инструмента при горячей деформации;

– для измерительного инструмента.

В данной лабораторной работе рассматриваются стали для режущего

инструмента (рис. 11.2

По теплостойкости стали материалы для режущего инструмента под-

разделяются: 1) на углеродистые и низколегированные (

Т до 250 °С); 2) вы-

соколегированные (быстрорежущие) (

Т до 650 °С).

Их используют только после закалки и отпуска (вид отпуска опреде-

ляется степенью легирования стали), когда стали имеют:

– высокую твердость в режущей кромке HRC 62–68;

– высокую износостойкость, для сохранения размеров и формы режу-

щей кромки;

– прочность и вязкость для предупреждения поломки инструмента;

– теплостойкость при работе с повышенной скоростью.

Углеродистые стали не обладают теплостойкостью. Их используют

для изготовления режущего инструмента, работающего без разогрева режу-

щей кромки.

Для деревообрабатывающего инструмента: стамесок, ножей, пил, но-

жовок, сверл по дереву применяют стали марок У9, У9А

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 11 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -100-

Рис. 11.2. Требования к инструменту

Для слесарного инструмента: напильников, шаберов, ручных метчи-

ков используют стали марок У10, У10А, У11, У12, У12А.

Для гравировального инструмента используют стали марок У13,

У13А.

После отжига углеродистые стали имеют в структуре зернистый пер-

лит (НВ 185–215).

Невысокая твердость позволяет обрабатывать эти стали резанием и

давлением, изготавливать инструмент накаткой и насечко

й.

Из–за низкой прокаливаемости углеродистые стали применяются для

инструмента с поперечным сечением до 25 мм с незакаленной сердцевиной

(метчики, напильники) Несквозная закалка уменьшает деформацию инстру-

мента и увеличивает устойчивость к ударам. Инструмент из заэвтектоидных

подвергают неполной закалке и низкому отпуску для получения структуры

мартенсит и цементит.

Режущие инструменты из низколегированных сталей изготавливаются

больших размеров и сложной формы. По структуре они относятся к ст

алям

перлитного класса.

Их подвергают неполной закалки и низкому отпуску. Структура –

мартенсит и карбиды.

Как углеродистые инструментальные стали, низколегированные не

обладают теплостойкостью, хорошо обрабатываются резанием и давлением.

Пилы, метчики, шаберы из сталей 9ХФ, 11ХВ, 13Х, В2Ф получают

лучшую прокаливаемость и зака

ливаемость.

Теплостойкость сталей обеспечивается введением большого количе-

ства вольфрама (W) совместно с молибденом (Mo), хромом (Cr) и ванадием

(V). Введение этих легирующих элементов в сталь формирует класс высоколеги-

рованных быстрорежущих сталей, работающих при скорости резания 40–60

м/мин.

Твердость

Прочность

Теплостойкость

Токарный

резец

Заготовка

n (V

рез

)