Быконя Л.А. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 11 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -101-

Увеличение количества легирующих элементов (11.3) снижает опас-

ность растрескивания и коробления, а прокаливаемость составляет:

9Х1, 9ХС – 35 мм;

ХВГ – 45 мм;

ХВСГФ – 100 мм.

Рис. 11.3. Увеличение прокаливаемости

при возрастании степени легирования

Эти стали характеризуются малой деформацией при закалке, исполь-

зуют для изготовления длинных стержневых инструментов – сверла, разверт-

ки, протяжки.

Хром способствует образованию с W и Мо сложного карбида М

С,

растворяющегося в аустените и задерживающего распад мартенсита.

Карбид VC выделяется из мартенсита при отпуске, усиливая дисперс-

ное твердение стали.

Повышению теплостойкости способствует кобальт. Он не образует

карбидов, но уменьшает размеры карбидных частиц других элементов.

В результате комплексного легирования инструмент из быстрорежу-

щих сталей сохраняет высокую твердость до 560–640 °С.

Существует достаточно много марок быстрорежущих сталей. Они де-

лятся на две группы:

1) груп

па сталей нормальной производительности включает:

вольфрамовые стали Р18, Р12, Р9;

вольфрамомолибденовые стали Р6М5, Р6М3.

Их твердость не ниже 58 HRC до

Т = 620 °С.

Из них изготавливают сверла, зенкеры, развертки, метчики, протяжки,

фрезы, фасонные резцы для обработки сплавов с твердостью НВ 210–280.

2) группа сталей повышенной производительности включает стали,

содержащие кобальт и повышенное количество ванадия (Р6М5К5, Р9М4К8,

Р9К5, Р10К5Ф5).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 11 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -102-

Твердость до 64 HRC они сохраняют до Т = 640 °С. Отличаются высо-

кой стоимостью. Предназначены для обработки высокопрочных сталей, кор-

розионностойких и жаропрочных сталей, труднообрабатываемых сплавов.

Особенности технологии изготовления инструмента и его термиче-

ской обработки целесообразно рассмотреть на примере стали Р18 (рис. 11.4

В литом

состоянии структура изделий из Р18 – ледебурит.

Рис. 11.4. Микроструктура быстрорежущей

стали Р18 (состояние литое), х400

Ледебуритная (скелетная) эвтектика, увеличивающая хрупкость, уст-

раняется горячей деформацией – ковкой. Кованные изделия из Р18 подвер-

гаются изотермическому отжигу для снижения твердости до 200–250 НВ.

Структура отожженной стали – сорбитообразный (мелкозернистый)

перлит, а также первичные и вторичные карбиды в количестве 22–25 %. Кар-

биды содержат 80–95 % (W + V) и 50 % Cr. Остальная часть легирующих

элементов растворена в феррите.

Высокие эксплутационные свойства и

нструменты из быстрорежущих

сталей приобретают после закалки и трехкратного отпуска (рис. 11.5

). Мел-

кие инструменты охлаждают на воздухе, крупные в масле.

Степень легирования аустенита возрастает с повышением температуры

закалки и растворения в нем карбидов легирующих элементов. При 1 300 °С

аустенит предельно насыщается легирующими элементами, оставаясь мелко-

зернистым, первичные карбиды WC, VC тормозят рост его зерен. При охла-

ждении легированный аустенит превращается в теплостойкий мартенсит.

Но закалкой не достигается максимальн

ая твердость сталей, из–за

присутствия 30–40 % остаточного аустенита, т. к. температуры конца мар-

тенситного превращения снижаются.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 11 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -103-

Рис. 11.5. Схема термообработки сталей Р6М5 и Р18

Рис. 11.6. Быстрорежущая сталь Р18 после закалки

и трехкратного отпуска. х500

Остаточный аустенит превращают в мартенсит при отпуске (550–570 °С),

выделяя дисперсные карбиды М

С, в составе которых хром и вольфрам.

Мартенсит при отпуске также выделяет карбиды, повышающие твер-

дость стали.

Для снижения количества аустенита до 3–5 % применяют 3-кратный

отпуск (рис. 11.6

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 11 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -104-

Таблица 11.1

Химический состав сталей для определения вида

термической обработки

Марка

стали

Химический состав, в процентах

Номер

образца

Вид термической

обработки

Твердость,

НВ

C Mn Si Cr Ni Mo W V

У12 1,15–1,24 0,15–0,35 0,15 0,2 0,25

1 Отжиг 750 °С 1 830

2 Отжиг 800 °С 1 900

9ХС 0,85–0,95 0,6–0,9 1,2–1,6 0,95–1,25 0,25

1 Отжиг 850 °С 1 960

Закалка 850–870 °С

Отпуск 180 °С

6 270

ХВГ 0,9–1,05 0,8–1,1 0,15–0,35 0,9–1,2 0,25 1,2–1,6

1 Горячекатаная 2 070

2 Закалка 820–840 °С 6 670

Р18 0,7–0,8 0,4 0,4 3,8–4,4 0,3 0,3 17,5–19,0 1,0–1,4

1 Отожженая 1 790

Закалка 1 260–1 280 °С

Отпуск 550–580 °С

6 800

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 11 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ



Материаловедение. Лаб. практикум -105-

1. Рассмотреть под микроскопом все шлифы коллекции.

2. Определить микроструктуру образцов всей коллекции сведения об

этих образцах приведены в табл. 11.1

. Сопоставить их структуру с видами

термической обработки, которым подвергался каждый образец коллекции.

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 выводы о влиян

ии степени легирования на структуру и

свойства режущих сталей.

6. Ответить на вопросы в соответствии с индивидуальным заданием.

1. Указать температуру, при которой производится процесс цианиро-

вания. Объяснить, при какой температуре сталь насыщается азотом и при ка-

кой – углеродом и почему.

2. Изложить сущность процесса цементации в твердом карбюризато-

ре. Каковы его недостатки? Какая термическая обработка применяется после

цементации?

3. Описать режим и назначение низкотемпературного цианирования.

Какие стали подвергаются такой обработке?

4. Каки

е стали применяются для цементации, азотирования, цианиро-

вания? Объяснить причины выбора стали для каждого из перечисленных ви-

дов химико-термической обработки.

5. Описать процесс диффузии, происходящий при химико-термической

обработке и влияние основных факторов на этот процесс.

6. Какова сущность процесса низкотемпературного цианирования и

какая термическая обработка применяется при этом?

7. Какой те

рмической обработке подвергаются изделия из легированной

стали после цементации? Дать обоснование каждого из приведенных режимов.

8. Описать теорию, технологию и назначение процесса азотирования.

9. Изложить сущность процесса азотирования, производимого для

улучшения антикоррозийных свойств стали.

10. Для каких целей применяются цементация, цианирование и азоти-

рование? Описать достоинства и недостатки этих видов химико-термическо

обработки.

11. Кратко изложить сущность процессов, происходящих при диффу-

зионной металлизации, и привести пример одного из видов такой обработки.

12. При какой температуре производится процесс азотирования? Дать

обоснование выбранного режима. Каковы свойства азотированного слоя?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 11 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Задания к лабораторной работе



Материаловедение. Лаб. практикум -106-

13. Описать процессы термической обработки, применяемой после

цементации. Каковы структура и свойства цементированных изделий?

14. Как влияет температура цементации и время при обработке на

глубину цементированного слоя и содержание углерода в нем?

15. Какие стали применяются для азотирования с целью повышения

износоустойчивости? Как выполняется вид азотирования?

16. В чем заключаются преимущества и недостатки жидкостного циа-

нирования по сравнению с це

ментацией?

17. Какие стали применяются для азотирования с целью повышения

коррозионной устойчивости? Описать режим такого процесса.

18. При какой температуре производится процесс цементации? Дать

обоснование выбранного режима и объяснить, как влияет температура це-

ментации на глубину слоя и свойства изделий.

19. Объяснить физическую сущность процессов химико-термической

обработк

и.

20. В чем состоит отличие процесса цементации в твердом карбюри-

заторе от процесса газовой цементации? Как можно исправить крупнозерни-

стую структуру перегрева у цементированных изделий?

21. Описать теорию, технологию и назначение процесса цианирова-

ния.

22. Изложить сущность процесса нитроцементации стали (технология,

свойства, область применения).

23. Изложить сущность процесса азотирования, производимого для

повышения износоустойчивости изделий.

24. Описать назначение и виды цементации, механизм образования

цементированного слоя и его свойств

а.

25. Описать назначение, виды, режим и область применения процесса

борирования стали.

1. Что называется легированными сталями?

2. Как классифицируются легирующие элементы по их влиянию на

существование α- и γ-модификаций?

3. Каково отношение легирующих элементов к углероду?

4. Как влияют легирующие элементы на свойства феррита?

5. Каково влияние легирующих элементов на превращения при закал-

ке и отпуске стали?

6. Приведите классификацию легированных сталей.

7. Как влияют мар

ганец, хром, молибден, никель на свойства конст-

рукционных легированных сталей?



Материаловедение. Лаб. практикум -107-

Изучить микроструктуру алюминиевых сплавов в равновесном со-

стоянии; изучить влияние термической обработки на структуру и свойства

алюминиевых сплавов.

Металлографический микроскоп МИМ-7 (4–5 шт); объективы к мик-

роскопу х9, х21, х40; комплект образцов.

Алюминий – самый распространенный металл в природе (решетка –

ГЦК, α

= 4,0413 Å), обладающий сочетанием целого ряда ценных свойств;

температурой плавления 661 °С, малой плотностью

– 2,72 г/см

, высокой те-

пло- и электропроводностью, высокой пластичностью, δ до 50 %, высокой

коррозионной стойкостью благодаря наличию на поверхности металла тон-

кой очень прочной окисной пленки Al

, высокими полируемостью и сва-

риваемостью.

Перечисленные свойства определяют применение алюминия во мно-

гих областях техники. В электротехнической промышленности алюминий

заменяет медь при производстве массивных проводников, в пищевой и хими-

ческой промышленности алюминий используют как материал для оборудо-

вания, хранения и транспортировки пищевых продуктов, воды, азотной, ук-

сусной кислот и т. д., а также для изготовления предмето

в домашнего обихо-

да. В металлургии алюминий используют для раскисления сталей и как леги-

рующую добавку к сплавам, применяемым в машиностроении и других от-

раслях. Алюминий непрочен и поэтому как конструкционный материал в не-

упрочненном состоянии не применяется. Прочность алюминия повышается

наклепом. Кроме того, прочность алюминия можно значительно повысить

легированием, благ

одаря чему становится возможным применение упроч-

няющей термической обработки.

В машиностроении и особенно в авиастроении широко используют-

ся сплавы на основе алюминия. Они обладают малым удельным весом –

2,5–2,8 г/см

(у cталей, чугунов, медных сплавов γ = 7,2–8,5); высокими зна-

чениями удельной прочности,

коррозионной стойкостью (не во всех случа-

ях), теплопроводностью.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 12 МИКРОСТРУКТУРА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -108-

Алюминиевые сплавы обладают высокой технологичностью. По спо-

собу производства алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые и

литейные (рис. 12.1

Рис. 12.1. Области составов деформируемых

и литейных сплавов: А – деформируемые

сплавы; В – литейные сплавы; I – сплавы,

неупрочняемые термообработкой; II – спла-

вы,

упрочняемые термообработкой

Из деформируемых сплавов методом полунепрерывного литья полу-

чают круглые или плоские слитки, которые подвергают горячей и холодной

обработке давлением (прессованию, прокатке, ковке, штамповке и др.).

Главной структурной составляющей деформируемых сплавов являет-

ся твердый раствор на основе алюминия, а объемная доля хрупких интерме-

таллидов сравнительно невелика, что обеспечивает высокую деформируе-

мость этих сплавов.

Литейные сплавы, предназначенные дл

я отливки фасонных изделий в

песчаные формы, кокиль, методом литья под давлением и другими способа-

ми, должны обладать хорошими литейными свойствами – высокой жидкоте-

кучестью, сопротивлением образованию горячих трещин, малой склонно-

стью к рассеянной пористости и др. Для этого к концу кристаллизации они

должны иметь достаточно большое количество эвтектической жидкости,

ристаллизующейся при постоянной температуре.

Для повышения прочности большинство алюминиевых сплавов под-

вергают закалке и старению.

При нагреве под закалку происходит растворение всех или отдельных

избыточных фаз, называемых фазами-упрочнителями, а при последующем

ускоренном охлаждении эти фазы не успевают выделиться и фиксируется

пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии. При

старении закаленного сплав

а в зависимости от температуры и продолжитель-

ности процесса в пересыщенном твердом растворе образуются участки, обо-

гащенные легирующими элементами (зоны Гинье Престона), дисперсные

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 12 МИКРОСТРУКТУРА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -109-

частицы промежуточных метастабильных фаз или выделяются стабильные

фазы. На этих стадиях старения из-за высокой дисперсности продуктов рас-

пада микроструктура состаренного алюминиевого сплава под световым мик-

роскопом обычно такая же, как и у закаленного сплава.

Промышленные алюминиевые сплавы являются многокомпонентны-

ми, многофазовыми системами. Расшифровки фазового состава таких спла-

вов являются часто непростой задачей. В наст

оящее время для этих целей

используют спектральные фазоанализаторы с применением компьютерной

техники.

Наиболее широко используемым травителем в алюминиевых сплавах

является реактив Келлера – смесь 5-процентных водных растворов кислот

HCl, HNO

и HF в объемном соотношении 1:1:2. Часто применяют также од-

нопроцентный раствор HF в воде.

Область составов деформируемых сплавов простилается от алюминия

до сплавов вблизи точки предельной растворимости (см. рис. 12.1

В этом состоянии главная структурная составляющая деформируемых

сплавов – дендриты α-раствора на базе алюминия. Под микроскопом обычно

видны границы светлых дендритных ячеек. По этим границам располагаются

двойные, тройные и более сложные эвтектики и фазы перитектического про-

исхождения.

К избыточным фазам, образованным основными легирующими эле-

ментами и алюминием и наиболее часто встречаемым в структуре слитков,

относятся Mg

Si, CuAl

, Al

, MgZn

Деформируемые сплавы подразделяют на термически неупрочняемые

и термически упрочняемые.

К первой группе относятся технический алюминий, сплавы на основе

Al–Mn и сплавы на основе Al–Mg.

Марки

технического алюминия: АД00 (99,7 % Al), АД0 (99,5 % Al),

АД1

(99,3 % Al).

В таких сплавах отсутствуют специально введенные легирующие эле-

менты, но содержатся примеси, в которых главные – железо и кремний. При-

меси в значительной степени снижают пластические свойства алюминия и

сплавов. В настоящее время по специальной технологии получают алюминий

более высокой чистоты – алюминий марок АВЧ (АСВЧ).

Сплавы на основе системы Al–Mg содержат 2–7 % Mg. Сплавы АМг

(2–2,8 % Mg), АМг 6 (5,8–6,8 % Mg) и др. обладают по сравнению с другими

алюминиевыми сплавами самым высоким пределом усталости.

Сплавы на основе системы Al–Mn (АМц) в отожженном состоянии ха-

рактеризуются высокой пластичностью, но малой прочностью (σ

= 110 МПа;

= 30 %).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 12 МИКРОСТРУКТУРА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -110-

К сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся слож-

ные алюминиевые сплавы на основе тройных и многокомпонентных систем:

сплавы на основе Al–Cu–Mg, называемые дуралюминами: Д1, Д16, Д18; В65.

Ковочные сплавы системы Al–Cu–Mg–Si (АК6, АК8) отличаются от

дуралюминов повышенным содержанием кремния и более высокой пластич-

ностью в горячем состоянии.

Сплавы повышенной пластичности и коррозионной стойкости сис-

темы Al–Mg–Si

(АВ, АД31, АД33, АД35) известны под названием авиаль

(авиационный алюминий).

Высокопрочные сплавы системы Al–Zn–Mg–Cu (В95, В94) обладают

высокой прочностью и пониженной пластичностью.

Свариваемые сплавы системы Al–Zn–Mg (1915, 1925 и др.) удовле-

творительно свариваются аргонно-дуговой сваркой, обладают достаточной

прочностью при комнатной и криогенных температурах, имеют высокую

пластичность в горячем состоянии и удовлетворительную общую коррозион-

ную стойкость.

Жаропрочные сплавы системы Al–Cu–Mg–Fe–Ni (АК4, АК4-1) по

своей природе близки к дуралюминам, но вместо марганца дополнительно

легированы железом и никелем, что способствует сохранению механических

свойств при повышенных температурах. Они используются для деталей и

сварных конструкций, работающих при температурах до 300 °С.

Все перечисленные сплавы упрочняются термической обработкой –

закалкой – с последующим искусственным или естественным старением.

Область составов литейных сплавов обозначена буквой В на рис. 12

.1.

Большинство литейных сплавов являются доэвтектическими. В состоянии

после литья они содержат две главные структурные составляющие – первич-

ные кристаллы раствора на базе алюминия и эвтектику.

Силумины – сплавы системы Al–Si (АК12, АК13, АК9, АК8, АК7,

АК21М2 и др.).

Для повышения прочности и особенно пластичности проводят моди-

фицирование силумина (NaCl + NaF) – сотые доли процента натрия.

Сплав АК12 (АЛ2) является единственным промышленным силуми-

ном, принадлежащим к двойной системе Al–Si

. Для повышения прочности к

двойным сплавам Al–Si добавляют магний и медь, образующие фазы упроч-

нители Mg

Si; CuAl

и др.

Сплавы системы Al–Si–Mg. Типичными представителями данной

группы легированных силуминов является сплав АК7. В литом состоянии

структура сплава содержит две главные структурные составляющие: первичные

кристаллы α-раствора кремния и магния в алюминии и эвтектику (α + Si). Си-

линид магния входит в состав тройной эвтектики (α + Si + Mg

Si) (рис. 12.2),