Загальні відомості

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ТА ЗАВДАННЯ

До лабораторних робіт

З дисципліни “Авіаційне матеріалознавство” для студентів напрямку 6.051102

Двигуни та енергетичні установки

літальних апаратів»

Денної та заочної форми навчання

Частина 2

Методичні вказівки та завдання до лабораторних робіт з дисципліни “Авіаційне матеріалознавство” для студентів напрямку 6.051102 «Двигуни та енергетичні установки літальних апаратів» денної та заочної форми навчання частина 2/Укл.: О.В. Лисиця, Ю.І. Кононенко. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2014. – 74 с.

Укладачі: О.В. Лисиця, ст.викладач

Ю.І. Кононенко, ст.викладач

Рецензент: Л.П. Степанова, к.т.н., доц.

І.М. Лазечний, к.т.н., доц.

Відповідальний за випуск: О.В. Климов, к.т.н., доц.

ЗМІСТ

Частина 2

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 8

Вивчення структури, властивостей

та призначення легованих сталей ………………………..78

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 9

Вивчення структури, властивостей та призначення

корозійностійких, жаростійких

та жароміцних сталей ………………………………………..94

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 10

Вивчення структури, властивостей

та призначення жароміцних сплавів ………………..….108

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 11

Алюміній та сплави на його основі ……………………..118

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 12

Титан та сплави на його основі ………………………….129

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 13

Магній та сплави на його основі ………………………..139

ЛІТЕРАТУРА...........................................................................................146

Додаток А. Правила техніки безпеки при виконанні лабораторних робіт із дисципліни “Авіаційне матеріалознавство”

в лабораторіях кафедри фізичного матеріалознавства.................147

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 8

Вивчення структури, властивостей

та призначення легованих сталей

Мета роботи – вивчити вплив легувальних елементів (ЛЕ) на структуру та властивості сталей, маркування і основи вибору легованих сталей для деталей та інструментів.

8.1 Загальні відомості

Значна більшість матеріалів для деталей машин та інструментів повинна мати властивості, яким повною мірою не відповідають вуглецеві сталі, тому широке використання набули леговані сталі та спеціальні сплави. Легувальні елементи в сталі додають для підвищення конструкційної міцності. Поліпшення механічних властивостей зумовлено впливом легувальних елементів на властивості фериту; тип, хімічний склад та дисперсність карбідної фази; стійкість мартенситу під час відпускання; прогартовуваність та розмір зерна. За допомогою легування можна покращити співвідношення між міцністю та в’язкістю, а також значно знизити температуру переходу сталей до крихкого руйнування. Легування підвищує твердість сталі та теплостійкість, тобто здатність сталі протистояти знеміцненню при нагріванні до підвищених температур. За допомогою легування підвищується опір зношуванню та корозії, тобто набуваються нові фізичні та хімічні властивості (зносостійкість, корозійна стійкість, жароміцність, жаростійкість, особливі електричні та магнітні властивості).

8.1.1 Вплив легувальних елементів на структуру та властивості сталей. Легувальні елементи, уведені в сталь, утворюють тверді розчини заміщення в гратках фериту чи аустеніту, можуть розчинятися у гратці цементиту, при цьому утворюється легований цементит М₃С, наприклад, (Fe,Mn)₃C, чи спеціальні карбіди MC, M₂C, M₇C₃, M₂₃C₆, M₆C (TiC, Mo₂C, Cr₇C₃,Cr₂₃C₆, Fe₃W₃C) або інтерметаліди (Fe₃Ti, Fe₃CrMo, FeCr, Ni₃Ti, Ni₃(Ti,Al)).

Елементами, що утворюють карбіди, є залізо, марганець, хром, молібден, вольфрам, ванадій, ніобій, титан, цирконій. Слід зауважити, що спроможність карбідоутворення зростає у приведеному ряді зліва направо. Не утворюють карбіди елементи алюміній, нікель, мідь, кобальт.

Легувальні елементи, за винятком вуглецю, кисню, азоту, водню та частково бору, утворюють тверді розчини заміщення. Значне спотворення гратки a-Fe, що супроводжує цей процес, приводить до підвищення міцності та твердості фериту та зменшення ударної в’язкості, особливо, якщо концентрація легувальних елементів перевищує 1,0…1,5 %, для Ni – 6 % (рис. 8.1).

а – ударна в’язкість; б – міцність

Рисунок 8.1 – Вплив легувальних елементів на властивості фериту

Хром, широко розповсюджений легувальний елемент, позитивно впливає на механічні властивості сталі: зміцнює ферит та підвищує ударну в’язкість при концентрації 1,5...2 %. Найбільш цінним, але досить дефіцитним є нікель, який підвищує міцність та твердість фериту, у той же час не зменшує його в’язкість та знижує температуру порогу холодноламкості. Марганець та кремній, що мають відмінну від a-Fe кристалічну гратку, значно підвищують міцність фериту та зменшують його в’язкість. Висока конструкційна міцність забезпечується раціональним, оптимальним легуванням. Надмірне легування знижує запас в’язкості, що полегшує крихке руйнування сталевих виробів.

Найважливішим фактором, що сприяє підвищенню конструкційної міцності, є зниження, завдяки легуванню, критичної швидкості охолодження при гартуванні та зростання прогартовуваності, що у свою чергу дає можливість отримати однорідні властивості у більших перерізах. Найефективніше сприяє підвищенню прогартовуваності комплексне легування (хром+нікель, хром+нікель+молібден тощо), що забезпечує отримання високого комплексу властивостей у перерізі до 300 мм. Саме тому для великих деталей складної форми використовуються комплекснолеговані сталі. Менш різке охолодження при гартуванні в олії зменшує внутрішні напруження та можливість появи тріщин у деталях.

Більшість легувальних елементів зменшує розмір зерна аустеніту, що сприяє підвищенню роботи розвитку тріщин та зниженню порогу холодноламкості. Елементи, що утворюють карбіди, а також Со та Si, затримують процеси при відпусканні мартенситу, виділення та коагуляцію карбідів під час відпускання, зберігаючи тим самим міцність сталі при нагріванні.

Завдяки легуванню змінюється положення концентраційних точок S та E на діаграмі залізо-цементит (рис. 8.2). Максимальна кількість вуглецю, що розчиняється в аустеніті (точка Е) зменшується, що приводить до зсуву лінії SE ліворуч, тому ледебурит у структурі легованих сталей з’являється при менших, ніж 2,14 %, концентраціях вуглецю. Наприклад, у сталі з 4 % W ледебурит спостерігається при наявності приблизно 1% вуглецю.

За їх впливом на температури поліморфних перетворень легувальні елементи поділяють на аустенітостабілізатори (нікель, марганець, мідь, азот) та феритостабілізатори (більшість легувальних елементів: хром, молібден, вольфрам, ванадій, титан, алюміній, кремній та інші). Елементи першої групи знижують температури точок А₃ та підвищують температури точок А₄, тобто розширюють g-зону. Якщо кількість легувальних елементів перевищує концентрацію, що відповідає вмісту точки b (рис. 8.3, а), то кристалічна гратка аустеніту ГЦК стає стійкою при кімнатних температурах. Такі сталі звуться аустенітними.

Рисунок 8.2 – Вплив легувальних елементів на положення точок S та Е

При уведенні феритостабілізаторів навпаки, температури точок А₃ підвищуються, а А₄ – понижуються, тобто область стійкого існування аустеніту зменшується, тому g-зона є замкнутою (рис. 8.3, б). Однофазні сплави з ОЦК-граткою, стійкі при будь-якій температурі до лінії солідус, звуться феритними. Хром замикає g-зону при 13% (точка с), кремній – 2,0%, ванадій – 1,3%.

а – аустенітостабілізатори; б – феритостабілізатори

Рисунок 8.3 – Схема діаграм стану залізо-легувальний елемент

8.1.2 Маркування легованих сталей. Марка легованої сталі складається з поєднання літер та цифр, що позначають її хімічний склад. Згідно з ГОСТ 4543-71 літери позначають: А (на початку марки) – автоматна, А (всередині марки) – азот, А (наприкінці) – високоякісна, Б – ніобій, В – вольфрам, Г – марганець, Д – мідь, Е – селен, К – кобальт, Л (наприкінці) – ливарна сталь, М – молібден, Н – нікель, П – фосфор, Р (на початку) – швидкорізальна, Р (наприкінці) – бор, С – кремній, Т – титан, Ф – ванадій, X – хром, Ц – цирконій, Ч – рідкісноземельні метали, Ш (на початку) – вальницева сталь, Ш (наприкінці) – сталь електрошлакового перетоплення, Ю – алюміній.

Цифра, що стоїть після літери, вказує приблизну кількість відповідного легувального елемента у процентах. Якщо цифра відсутня, то концентрація легувального елемента складає приблизно 1 % або вказана його присутність (може бути в сотих або тисячних частках процента).

Цифра на початку марки легованої сталі вказує на середню концентрацію вуглецю: дві чи три цифри в конструкційних сталях – його концентрацію в сотих частках процента, одна цифра в інструментальних сталях – у десятих частках процента. Якщо кількість вуглецю 1...2 %, то цифра на початку марки не ставиться.

Наприклад, марка конструкційної сталі 12ХНЗА означає, що сталь містить 0,12 % С (0,09...0,16 % С), приблизно 1 % хрому (0,6...0,9 %), 3 % нікелю (2,75...3,13 %) та є високоякісною. Елементи не позначається, якщо в сталі вони присутні як технологічна або випадкова домішка.

У складі інструментальної сталі ХВСГ – С (0,95...1,05 %), Cr (0,6...1,1 %), Si (0,65...1,0 %), Mn (0,6...0,9 %). Якщо інструментальна сталь має у своєму складі 0,5...0,6 % С, 0,6...0,8 % Cr, 1,4...1,8 % Ni, 0,4...0,7% W, то її марку слід записати як 5ХНВ.

Нестандартні сталі позначаються буквами ЭИ (завод «Електросталь», И – дослідницька), ДИ (завод «Дніпроспецсталь», И – дослідницька) та порядковим номером.

8.1.3 Класифікація легованих сталей. Леговані сталі розрізняють за хімічним складом, структурою, якістю та призначенням.

За хімічним складом в залежності від концентрації вуглецю сталі поділяють на: маловуглецеві (< 0,3 % С), середньовуглецеві (0,3...0,7 % С) та багатовуглецеві (> 0,7 % С). В залежності від легувальних елементів, що уведені до складу сталей, їх поділяють на хромисті, хромонікелеві, хромовольфрамомолібденові сталі тощо.

В залежності від сумарного вмісту легувальних елементів поділяють: м алолеговані (£ 5 % легувальних елементів), середньолеговані (5...10 % легувальних елементів) та багатолеговані сталі (> 10 % легувальних елементів).

За якістю в залежності від присутності шкідливих домішок (сірки та фосфору) сталі поділяють на якісні, високоякісні та особливо високоякісні.

За структурою сталі класифікують у рівноважному відпаленому (охолодження з піччю) та нормалізованому (охолодження на повітрі) стані зразків невеликого розміру.

Сталі у відпаленому стані можуть мати структуру таких класів: доевтектоїдні, евтектоїдні, заевтектоїдні, ледебуритні, феритні, аустенітні:

- доевтектоїдні, що мають у структурі перлит та ферит, наприклад, 15Х, 40ХНМА, 65Г, 20Х13;

- евтектоїдні – зі структурою перлит, наприклад, 60СГ, 70С2А;

- заевтектоїдні – зі структурою перлит та вторинні карбіди, наприклад, ХВГ, 70СЗА, 40Х13.

Сталі цих класів, як правило, малолеговані (конструкційні) містять менше 6 % легувальних елементів, інструментальні – 1...4 %, але при малій кількості вуглецю можуть бути і багатоколегованими. Структуру слід визначати з урахуванням впливу легувальних елементів на положення точки S (рис. 8.2). Наприклад 3 % хрома зсувають точку S до 0,6 % С, і тому сталь 7Х3 за структурою у відпаленому стані є заевтектоїдною.

Ледебуритний (карбідний) клас зі структурою перлит, ледебурит (суміш перлиту та первинних карбідів) та вторинні карбіди. Ці сталі містять більше ніж 0,5...2,0 % С, при сумі легувальних елементів більше ніж 8 %. Належність сталі до цього класу визначають з урахуванням впливу легувальних елементів на положення точки Е (рис. 9.2). Зі зсувом точки Е вліво частина рідини стопу при температурі евтектичного перетворення кристалізується в грубу евтектику – ледебурит. До цього класу відносяться сталі Х12 (біля 2 % С), Р6М5 (приблизно 0,9 % С).

Сталі феритного класу (08ХІ8Т1, 15Х25Т) утворюються при уведені феритостабілізаторів (хром, вольфрам, кремній, ванадій, молібден тощо), що розширюють a-зону (рис. 8.3, б), та малій кількості вуглецю (£ 0,15 %). Аустенітна зона замикається при концентрації легувальних елементів, більшій ніж точка с (рис. 8.3, б) та залежить від діаграми стану залізо-легувальний елемент. Так, при кількості хрому більше 13 % маловуглецеві сталі (£ 0,1 % С) стають феритними. Феритні сталі не зазнають перетворень при нагріванні, тому не змінюють свою структуру.

У сталях аустенітного класу (04ХІ8Н10, 12Х18Н9, І5ХІ7АГІ4) є велика кількість (більша за концентрацію точки b, рис. 8.3, а) аустенітостабілізаторів (нікель, марганець, азот, мідь), що розширюють g-зону. Вуглець також є аустенітостабілізатором, але його кількість у корозійностійких сталях обмежується 0,15 %, бо він знижує корозійну стійкість. У жароміцні сталі аустенітного класу з карбідним зміцненням уводять 0,40...0,45 % С. Аустенітні сталі також не мають структурних перетворень при нагріванні та охолодженні.

При певній кількості легувальних елементів можлива часткова фазова перекристалізація (aDg) з утворенням структури проміжних класів: напівферитного та напіваустенітного.

За структурою в нормалізованому стані сталі поділяють на такі основні класи: перлитний, мартенситний, аустенітний та феритний.

Сталі перлитного класу мають невелику стійкість переохолодженого аустеніту (рис. 8.4, а), тому за умов охолодження на повітрі набувають структуру перлиту, сорбіту чи трооститу. Здебільшого це вуглецеві та малолеговані сталі (S_ЛЕ £ 5 %).

Сталі мартенситного класу мають високу стійкість переохолодженого аустеніту (рис. 8.4, б), при охолодженні на повітрі до температур мартенситного перетворення вони загартовуються на мартенсит. До цього класу належать середньо- та багатолеговані сталі (S_ЛЕ ³ 8 %).

а – перлитний; б – мартенситний; в – аустенітний

Рисунок 8.4 – Діаграма ізотермічного перетворення аустеніту у сталях різних класів

Структурні класи аустенітних та феритних сталей після охолодження на повітрі збігаються з класифікацією у відпаленому стані.

Розглянута класифікація за структурою в нормалізованому стані має умовний характер, бо сталь одного і того ж хімічного складу може мати різну структуру в залежності від умов охолодження та розмірів виробів.

Знання класифікаційних ознак дозволяє вірно визначити структуру, властивості сталі у вихідному стані та вибирати режими термічної обробки для отримання необхідних фізико-механічних та технологічних властивостей.

За призначенням леговані сталі поділяють на конструкційні, інструментальні та сталі із особливими властивостями.

8.1.4 Конструкційні леговані сталі. Конструкційні сталі використовуються для виготовлення деталей машин та елементів металевих конструкцій. При виборі сталі для виробів необхідно враховувати вимоги до міцності, пластичності, прогартовуванності, циклічної міцності, ударної в’язкості, опору зношуванню тощо.

Переваги легованих сталей порівняно із вуглецевими виявляються після відповідної термічної обробки.

Масова частка вуглецю в конструкційних сталях не перевищує 0,7 % і позначається двома цифрами на початку марки (12ХН3А, 40ХН, 60С2).

Основні легувальні елементи конструкційних сталей – кремній, марганець, хром (до 2 % кожного), нікель (до 4,5 %). Такі елементи як вольфрам, молібден, ванадій, титан, ніобій та деякі інші використовують у невеликих концентраціях (наприклад, 0,09...0,13 % Ті; 0,2...0,3 % Мо; 0,001...0,005 % В) разом із вказаними елементами для поліпшення властивостей сталі. Сума легувальних елементів у конструкційних сталях здебільше не перевищує 6 %.

Конструкційні сталі для машинобудування поділяють на групи:

Сталі, що цементують, нітроцементують з кількістю 0,10...0,25 % С (наприклад, 15Х, 25ХГТ, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА та інші). Їх функціональне призначення - деталі, що працюють в умовах тертя (зубчасті колеса, кулачки тощо). Після цементації, нітроцементації, гартування та низькотемпературного відпускання забезпечується висока твердість поверхні (HRC 58...63) та зносостійкість у поєднанні з достатньою міцністю та в’язкістю серцевини (HRC 20...43, KCU > 70 Дж/см ²).

За структурою у стані рівноваги ці сталі належать до доевтектоїдних сталей і після термічної обробки набувають структуру мартенситу з карбідами у поверхневому шарі та маловуглецевого мартенситу чи бейніту у серцевині. Структурний клас у нормалізованому стані залежить від вмісту легувальних елементів. Наприклад, сталь 15Х – перлитного класу, 18Х2Н4МА – мартенситного.

Вміст легувальних елементів в цементовних сталях визначає рівень механічних та експлуатаційних властивостей, а також розмір деталей, які із них виготовляють.

Поліпшувані сталі містять 0,3...0,5 % С (40ХН, 38ХМЮА, 50ХНМ, 30ХГС) і набувають високих механічних властивостей після поліпшення – гартування та високотемпературного відпускання для отримання структури сорбіт відпускання (HRC 25...35). Така термічна обробка забезпечує підвищену границю плинності у комбінації з доброю пластичністю та в’язкістю, високим опором розвитку тріщин. Крім того, помітно знижується температура порогу холодноламкості.

Ця група сталей використовується для різноманітних деталей машин, що працюють в умовах не тільки статичних, але й циклічних та ударних навантажень (вали, шатуни та інше). Дуже важливою характеристикою при виборі цих сталей є прогартовуваність.

Ресорно-пружинні сталі містять 0,5...0,7 %С. Високі значення границі пружності, витривалості та релаксаційної стійкості досягаються їх гартуванням та середньотемпературним відпусканням при 420...500 °С на структуру троостит відпускання (HRC 40...50). Ресорно-пружинні сталі належать до перлитного класу та мають у своєму складі такі основні легувальні елементи, як кремній (1...3 %), марганець (1 %), а в сталях відповідального призначення, крім того – хром (1 %), ванадій (0,15 %), нікель (£ 1,7 %).

До окремої групи належать зносостійкі вальницеві сталі. В марці на початку стоїть літера Ш: ШХ6, ШХ15СГ, при цьому кількість хрому вказується у десятих частках процента. Сталі за своїм хімічним складом відповідають інструментальним сталям, а за умовами експлуатації є конструкційними. Основні вимоги до них: висока твердість, опір зношуванню, контактна витривалість, стабільність структури та розмірів. Сталі містять 0.9...1,1 % С, 0,4...1,5 % Сr, а також кремній та марганець. Вони відносяться до заевтектоїдних сталей перлитного класу, підлягають неповному гартуванню від 820...850 °С та низькотемпературному відпусканню при 150...170 °С для отримання структури мартенситу з карбідами при мінімальній кількості залишкового аустеніту А_ЗАЛ (£ 5 %). Забезпечується твердість HRC60...64.

8.1.5 Інструментальні леговані сталі. Інструментальні сталі застосовуються для виготовлення різальних, вимірювальних інструментів та штампів для холодного або гарячого деформування.

Інструмент під час експлуатації зазнає впливу підвищених температур, зношування, високого тиску. Тому інструментальні сталі повинні мати високу твердість, зносостійкість, стабільність розмірів, теплостійкість, знижену критичну швидкість гартування. У марках інструментальних сталей вміст вуглецю вказується однією цифрою в десятих частках процента (5ХНМ, 9ХС). Цифра відсутня, коли вміст вуглецю не менше, ніж 1 % (ХВГ, ХВСГ).

Сталі для різальних інструментів. За рівнем теплостійкості сталі для різальних інструментів поділяють на дві групи:

- малолеговані (сумарна кількість легувальних елементів до 5%), нетеплостійкі: ХВГ, ХВСГ, 9ХС та інші. Основні легувальні елементи: хром, кремній, марганець, вольфрам, ванадій. Теплостійкість до 200...250 °С;

- багатолеговані (до 25 % легувальних елементів) швидкорізальні сталі з теплостійкістю до 600 °С: Р18, Р6М5, Р9К5Ф2 та інші. Для забезпечення теплостійкості вводять вольфрам, молібден, що утворюють спеціальні карбіди (МС, М₂С, М₆С), які повільно коагулюють. Карбіди сприяють підвищенню різальних властивостей та опору зношуванню. У зв’язку з цим інструментальні сталі містять не менше ніж 0,7 % вуглецю.

За структурою малолеговані сталі належать до заевтектоїдних сталей перлитного класу. Їх піддають неповному гартуванню від температури вище точки А₁ та низькотемпературному відпусканню на структуру мартенсит та надлишкові карбіди, що забезпечує твердість HRC 62...65 та високу зносостійкість. Через низьку теплостійкість вони мають експлуатаційні властивості практично на рівні із вуглецевими сталями (для інструментів, що працюють при невеликих швидкостях різання і розігріваються не вище 200...250 °С), однак на відміну від останніх їх можна використовувати для виготовлення інструментів більших розмірів та складної форми.

Швидкорізальні сталі позначаються літерою Р, цифра після якої вказує на вміст основного легувального елементу - вольфраму (Р18, Р6М5, Р12, Р9, Р10К5ФЗ тощо). Вони відносяться у рівноважному стані до ледебуритного (карбідного) класу. У структурі литої сталі, що складається з евтектики та перлиту, можна виділити три типи карбідів: первинні (карбіди ледебуриту), вторинні (що виділяються з аустеніту при охолодженні) та евтектоїдні. Грубі первинні карбіди негативно впливають на працездатність інструменту та збільшують крихкість сталі. Тому інструменти зі швидкорізальних сталей лише інколи виготовляються литвом, як правило, із заготовок, що отримують гарячою пластичною деформацією зливків невеликої маси. Під час пластичної деформації евтектичні карбіди (К_І) подрібнюються.

Швидкорізальні сталі – червоностійкі, тобто здатні зберігати мартенситну структуру, високу твердість та зносостійкість при нагріванні до температур червоного жару (600...620 °С). Ці властивості досягаються після термічної обробки – гартування та відпускання, що мають низку особливостей (рис. 8.5).

Рисунок 8.5 – Графік термічної обробки сталі Р6М5

Висока температура гартування 1220...1240 °С для сталі Р6М5 (на 400...450 °С вище А₁) необхідна для розчинення карбідів вольфраму, молібдену та отримання багатолегованих аустеніту (при нагріванні) та мартенситу (після гартування). Через підвищену кількість легувальних елементів сталь має низьку теплопровідність. Тому під час нагрівання використовується подвійне підігрівання (при 450 та 1000 °С) з метою запобігання утворенню термічних тріщин та деформації виробів.

Після гартування в олії твердість сталі 60...62 HRC, а структура складається з мартенситу, карбідів та 25...30 % залишкового аустеніту.

Відпускання проводиться тричі по 1 годині при 560 °С. Під час витримки спостерігаються процеси відпускання мартенситу, виділення високодисперсних спеціальних карбідів вольфраму, молібдену, ванадію з пересичених a- та g- твердих розчинів, при охолодженні після витримки збіднений залишковий аустеніт перетворюється у мартенсит.

Після відпускання твердість сталі досягає 64...65 HRC, а кількість залишкового аустеніту не перевищує 5 %. Висока твердість сталі після відпускання зумовлена збереженням високолегованої мартенситної структури, дисперсійним зміцненням спеціальними карбідами та перетворенням залишкового аустеніту у мартенсит.

Для усунення карбідної неоднорідності, підвищення кількості вуглецю та стійкості інструменту зі швидкорізальних сталей у промисловості виготовляють заготовки методом порошкової металургії, а при термічній обробці інструментів використовують оксидування, азотування, ціанування, нанесення покриттів, наприклад, із нітриду тітану TiN.

Сталі для вимірювальних інструментів. Основні вимоги для них – високі зносостійкість, стабільність розмірів та форми протягом тривалого часу експлуатації.

Найбільш поширеними є заевтектоїдні низьколеговані сталі з кількістю приблизно 1 % вуглецю (X, ХГ, ХВГ, 9ХС), що піддають обробці на високу твердість (HRC 60...64).

Для зменшення кількості залишкового аустеніту гартування проводять з більш низької температури, а відпускання - при 120...140 °С протягом 12...24 годин. Інструмент високої точності піддають обробці холодом перед відпусканням.

Штампові сталі поділяють на сталі для деформації металу у холодному та гарячому стані.

Сталі першої групи повинні мати високу міцність, твердість і тому містять 0,7...1,5 % С та 1...14 % легувальних елементів (9ХС, Х12М та інші). Високолеговані сталі Х12М, Х12Ф1 близькі до швидкорізальних (у відпаленому стані – ледебуритний клас, у нормалізованому – мартенситний клас). Висока зносостійкість забезпечується великою кількістю карбідів Cr₇C₃ та MC після гартування. Їх термічну обробку виконують на первинну чи вторинну твердість. У першому випадку температура гартування складає 1030...1070 °С, а наступне відпускання 150...160 °С дозволяє досягти твердості 61...64 HRC.

Гартування на вторинну твердість проводиться від високих температур (1110...1170 °С), що веде до значного насичення аустеніту хромом унаслідок розчинення карбідів та значному зниженню температури Мп. Після гартування зберігається 60...80 % залишкового аустеніту в структурі, тому твердість низька – HRC 42...54. Після багаторазового відпускання при 500…580 °С твердість зростає до HRC 60...62 унаслідок перетворення А®М.

Сталі для штампів гарячої деформації використовують за температури 600 °С в умовах ударного навантаження, тому повинні мати високі показники теплостійкості та в’язкості. Цим вимогам відповідають сталі зі зменшеним вмістом вуглецю (0,3...0,5 %): 5ХНМ, 4Х5В2ФС, 3Х2В8 тощо. Після гартування ці сталі піддають відпусканню при 500...680 °С на структуру троостит чи троостосорбіт (HRC 35...45) у залежності від розмірів штампу, марки сталі та умов експлуатації.

8.2 Завдання на підготовку до лабораторної роботи

Описати вплив легувальних елементів на властивості фериту та аустеніту, поліморфізм заліза (схема), положення точок S та Е, прогартовуваність (критичну швидкість гартування – схема); класифікацію легованих сталей за структурою та маркування сталей.

8.3 Контрольні запитання для самоперевірки

і контролю підготовленості до лабораторної роботи

8.3.1. Що таке легована сталь? Класифікація за призначенням.

8.3.2. Мета легування конструкційних та інструментальних сталей.

8.3.3. Взаємодія легувальних елементів із залізом та вуглецем. Їх вплив на властивості фериту.

8.3.4. Вплив легувальних елементів на критичні точки А₁, А₃ та концентраційні точки S та Е.

8.3.5. Вплив легувальних елементів на діаграму ізотермічного перетворення аустеніту.

8.3.6. Класифікація легованих сталей за структурою у відпаленому сані.

8.3.7. Класифікація легованих сталей за структурою у нормалізованому стані.

8.3.8. Маркування конструкційних та інструментальних сталей.

8.3.9. Швидкорізальні сталі. Особливості їх структури та властивостей.

8.3.10. Особливості термічної обробки інструментів із швидкорізальних сталей.

8.4 Матеріали, інструменти, прилади та обладнання

Робота виконується на металографічних мікроскопах МІМ-5 та МІМ-7. Добірка шліфів містить конструкційні та інструментальні сталі.

8.5 Вказівки з техніки безпеки

Робота виконується відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки (додаток А).

8.6 Порядок виконання роботи

8.6.1. Переглянути мікроструктуру зразків конструкційних сталей. Використовуючи довідникові дані, визначити структурні класи, кінцеву термічну обробку та структуру після термічної обробки, властивості та призначення конструкційних сталей.

8.6.2. Зарисувати (схематично) мікроструктуру конструкційних сталей. Вказати в табл. 8.1 хімічний склад, призначення, структурні класи, режим термічної обробки (т/о), структуру та властивості (твердість) після термічної обробки.

Таблиця 8.1 – Хімічний склад, структура, призначення та властивості конструкційних сталей

8.6.3. Переглянути мікроструктуру зразків інструментальних сталей. Використовуючи довідники, визначити структурні класи, термічну обробку та структуру після термічної обробки, властивості та призначення інструментальних сталей.

8.6.4. Зарисувати схематично мікроструктуру інструментальних сталей. Занести в табл. 8.2 хімічний склад, призначення, структурні класи, термічну обробку, структуру та твердість після термічної обробки.

Таблиця 8.2 – Хімічний склад, структура, призначення та властивості інструментальних сталей

8.6.5. Зарисувати та пояснити графік термічної обробки швидкорізальної сталі.

8.7 Зміст звіту

Основні загальні відомості відповідно до завдання на підготовку до лабораторної роботи. Рисунки 8.1, 8.3, 8.4, 8.5; схеми мікроструктур розглянутих зразків сталей, таблиці 8.1 та 8.2, висновки.

8.8 Рекомендована література

[2], с. 230–252; [3], с. 341–390, 411–445; [5], с. 250–290; 308–320; [6], с. 124–148, 360–371.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 9

Вивчення структури, властивостей

та призначення корозійностійких, жаростійких

та жароміцних сталей

Мета роботи – вивчити особливості структури і властивості спеціальних сталей, класифікацію їх за структурою. Ознайомитися із призначенням спеціальних сталей.

9.1 Загальні відомості

9.1.1 Корозійностійкі (неіржавіючі) сталі. Корозія металів – це процес їх руйнування внаслідок взаємодії з оточувальним середовищем. Розрізнюють два види корозії: електрохімічну (в рідких електролітах – у вологій атмосфері, воді, розчинах кислот, лугів, солей тощо) та хімічну (найчастіше у газовому середовищі).

Сталі, стійкі до електрохімічної корозії, звуться корозійностійкими. В умовах електрохімічної корозії встановлюється корозійний струм, і відбувається розчинення металу внаслідок взаємодії з електролітом. При корозії руйнуються лише анодні ділянки, тому фазовий склад та структура при однаковому хімічному складі впливають на корозійну стійкість (більшу стійкість має однофазна крупнокристалічна структура). У залежності від умов розрізняють атмосферну, кислотну, лужну, морську та інші види корозії. За характером руйнування може бути рівномірна (загальна), місцева (локальна) та міжкристалітна корозія.

Корозійна стійкість сталі поліпшується легувальними елементами, що викликають пасивацію (підвищення електрохімічного потенціалу, створення однофазної структури). Прикладом корозійностійких матеріалів можуть бути хромисті, хромонікелеві та хромомарганцеві сталі. При об’ємному та поверхневому легуванні хромом (> 12,5 %) сталь стає пасивною, значно знижується корозійний струм та швидкість корозії. При кількості хрому більше 17 % маловуглецеві сталі набувають однофазної структури, що збільшує корозійну стійкість, але виключає можливість зміцнення термічною обробкою. Структура хромистих корозійностійких сталей залежить від кількості вуглецю та хрому (рис. 9.1).

Наприклад, сталі, що містять 13 % Cr, при нагріванні та охолодженні зазнають перетворення gDa, тому можуть зміцнюватись термічною обробкою, не втрачаючи корозійної стійкості. Вуглець в них зумовлює твердість, міцність та пластичність після гартування та відпускання. Так сталі 12Х13, 20Х13 мають достатню пластичність і можуть деформуватися при кімнатній температурі, а сталі 30Х13, 40Х13 використовують лише після гарячої деформації.

Рисунок 9.1 – Структурна діаграма системи Fe-Cr-С (стан рівноваги)

При введенні до складу неіржавіючої сталі аустенітостабілізаторів її структура у нормалізованому стані може бути визначена за допомогою діаграми Шефлера (рис. 9.2) після розрахунку еквівалентів хрому та нікелю.

Рисунок 9.2 – Структурна діаграма корозійностійких сталей (нормалізований стан)

Якщо у складі неіржавіючої сталі кількість нікелю становить не менше половини від кількості хрому, то її структура аустенітна (наприклад, 08Х18Н9).

В нормалізованому стані корозійностійкі сталі підрозділяють на класи: феритний (Ф); мартенситний (М); аустенітний (А); феритно-мартенситний (Ф-М); аустеніто-мартенситний (А-М); аустеніто-феритний (А-Ф).

Корозійностійкі сталі при нагріванні до певних температур оброблення здатні до міжкристалітної корозії (МКК), яка пов’язана з виділенням карбідів (Fe,Cr)₂₃С₆ по межах зерен, внаслідок чого примежові ділянки матриці збіднюються на хром. Це викликає зниження електрохімічного потенціалу меж зерен; і при суцільному збідненні вони стають анодами та вибірково руйнуються. Для боротьби з МКК або зменшують кількість вуглецю у сталі, або додають більш сильний, ніж хром, карбідоутворювач, що зв’язує весь вуглець, залишаючи хром у твердому розчині (наприклад, титан у співвідношенні Ті/С ³ 5, або ніобій). Сталі, здатні протистояти МКК, звуться стабілізованими (04Х18Н10, 12ХІ8Н10Т).

Корозійностійкі сталі, що підлягають термічному зміцненню. Мартенситні (20Х13, 30Х13, 40Х13, 90Х18) та мартенсито-феритні (08Х13, 12Х13) сталі мають добру корозійну стійкість в атмосферних умовах, в слабкоагресивних середовищах (в слабких розчинах солей, кислот) та мають високі механічні властивості. Найбільш часто їх використовують для виробів, що працюють на знос, як різальні інструменти, для пружних елементів та конструкцій в харчовій та хімічній промисловості, що знаходяться в контакті із слабкоагресивними середовищами (4...5%-оцтова кислота, фруктові соки та ін.).

Термічна обробка сталей: гартування та відпускання.

Сталі з невеликим вмістом вуглецю (~0,1%) після гартування від 1000⁰С в маслі мають мартенситну структуру з невеликою кількістю фериту. Структура сталі з підвищеним вмістом вуглецю (0,1...0,4%) після гартування в маслі або на повітрі повністю мартенситна. Твердість та міцність цих сталей тим вищі, чим більший вміст вуглецю в сталі. При високому вмісті С крім мартенситу ці сталі можуть мати після гартування аустеніт залишковий, а також вільні карбіди, які розподілені у вигляді сітки.

Після гартування проводять відпуск на задану твердість.

Сталі після гартування мають високу корозійну стійкість. Але внаслідок того, що після охолодження на повітрі або в маслі в виробах з цих сталей з’являються великі напруження, які можуть викликати саморозтріскування, необхідно негайно після гартування проводити відпуск для зняття напружень при 200-400⁰С, при цьому цей відпуск не впливає на корозійну стійкість сталей.

При відпуску 480...520°С відбувається розпад мартенситу на ферито-карбідну суміш та виділення карбідів типу М₂₃С₆, тобто структура сталі стає гетерогенною. Феритна матриця збіднюється на хром, корозійна стійкість різко знижується. Також спостерігається суттєве зниження пластичності та ударної в’язкості внаслідок розвитку відпускної крихкості. Відпуск при більш високих температурах підвищує корозійну стійкість.

Аустеніто-мартенситні сталі (07Х16Н6, 08Х17Н5М3). Стримування евтектоїдного g®a-перетворення та зниження температури М_п в результаті легування аустенітостабілізатори (Ni, Mn, N, C та частково Cr) приводить до утворення сталей перехідного класу з аустеніто-мартенситною структурою та відповідної зміни властивостей. При нагріванні сталей цього класу до високих температур вони стають повністю аустенітними. При швидкому охолодженні сталі повністю зберігають аустенітну структуру або частково перетворюється на мартенсит, що залежить від температури М_п.

Аустеніто-мартенситні сталі поряд з доброю стійкістю проти атмосферної корозії мають високі механічні показники та добру зварюваність. Механічні та фізичні властивості цих сталей залежать від співвідношення кількості аустеніту та мартенситу в структурі та процесів, які пов’язані з утворенням інтерметалідних або карбідних фаз, що додатково впливають на зміцнення. Аустеніто-мартенситні сталі використовують при виготовленні легких високоміцних конструкцій авіаційної техніки, транспорту.

Сталі цього класу містять приблизно £0,1% С; 14...17% Cr; 5...9% Ni та деяку кількість Al, Mo та Ti. Для підвищення механічних властивостей сталі аустенітно-мартенситні сталі піддають гартуванню (~975⁰С), після чого структура сталі – нестійкий (метастабільний) аустеніт та деяка кількість мартенситу. Метастабільний аустеніт може перетворюватися в мартенсит при обробці холодом або при пластичній деформації. В аустеніто-мартенситних сталях також може утворитися деяка кількість d-фериту, однак його присутність в структурі повинна бути обмеженою внаслідок можливого окрихчування сталей та зниження рівня міцності.

В цьому стані сталь має достатньо високу пластичність, її можна піддавати холодній деформації та обробці різанням. Після гартування сталь обробляють холодом в інтервалі температур від -75 до -50⁰С для переведення частини (~40%) аустеніту в мартенсит (температура М_п в цих сталях повинна знаходитися нижче кімнатної, але не настільки, щоб сталь була стабільною при обробці холодом).

Додаткове зміцнення цих сталей може бути отримано внаслідок дисперсійного твердіння мартенситу при відпуску (старінні) при температурах 450...500⁰С. Для цього до складу сталей вводять такі елементи як Al, Cu, Ti. При старінні з a-твердого розчину (мартенситу) виділяються частинки інтерметалідної фази NiAl, які когерентно зв‘язані з ОЦК-матрицею, NiTi або Ni(Al,Ti), що також мають ОЦК-гратку. При введенні міді утворюються комплекси, що збагачені на мідь (припускають, що це твердий розчин Ni в Сu). В процесі відпуску в сталях виділяються карбонітриди Mo та V, що також підвищують міцність, але при цьому зменшують характеристики пластичності.

Корозійностійкі сталі, які не зміцнюються термічною обробкою. Хромисті сталі феритного класу містять приблизно 15...30% Cr (наприклад, 08Х18Т1, 15Х25Т), використовують для виготовлення виробів, що працюють в окислювальних середовищах, для побутових приладів, для обладнання харчової та легкої промисловості.

Феритні сталі мають високу корозійну стійкість в азотній кислоті, рідинних розчинах аміаку та інших агресивних середовищах.

Сталі феритного класу при нагріванні та охолодженні не мають a®g-перетворень та складаються з твердого розчину з ОЦК-граткою. Внаслідок малої розчинності вуглецю в фериті при помірних та кімнатних температурах він головним чином знаходиться у вигляді складних карбідів хрому та заліза.

Хромисті сталі феритного класу є схильними до МКК, яка може виявлятися після нагріву вище 1000⁰С та швидкого охолодження (наприклад, при зварюванні) при температурах ~900⁰С.

Для зменшення схильності до МКК знижують вміст С в сталях та підвищують вміст Cr. Сталі з низьким сумарним вмістом С та N (0,025...0,035%), що мають 18...28% Сr, 2...4% Mo, стабілізовані Ti та Nb, отримали назву суперферитів. Вони мають високу стійкість в багатьох агресивних середовищах.

Також для боротьби з МКК в феритні сталі вводять стабілізатори Ti, Nb, які зв‘язують C в спеціальні карбіди TiC та NbC. При цьому збіднення примежових ділянок хромом не відбувається, що також сприяє зменшенню схильності до росту зерна.

Термічна обробка сталей феритного класу залежить від конкретних умов виробництва та експлуатації: відпал 560...800⁰С (щоб запобігти окрихченню та схильності до МКК), або гартування із нагріванням в інтервалі 870...950⁰С (1 година, вода).

Феритні сталі можна використовувати при роботі в агресивних середовищах в інтервалі температур від мінус 20 °С до 350⁰С. При температурах нижче мінус 20 °С в них різко знижується ударна в’язкість.

Сталі аустенітного класу (12Х18Н9, 10Х14АГ15). Введення в сталь Ni сильно розширює g-область та знижує температуру мартенситного перетворення.

Сталі аустенітного класу мають високі експлуатаційні характеристики (міцність, пластичність, корозійну стійкість в більшості робочих середовищ) та добру технологічність. Вони залишаються в’язкими при охолодженні до кріогенних температур (до мінус 200 °С)

Сталі аустенітного класу, як і сталі феритного класу, схильні до МКК. Методами боротьби з МКК для сталей цього класу є: зниження в сталях вмісту С; введення стабілізаторів - Ti, Nb, що утворюють відповідно карбіди TiC та NbC.

Термічна обробка сталей аустенітного класу:

– істинне гартування в воду від температур 1050...1100⁰С фіксує Cr та С в твердому розчині;

– відпал для нестабілізованих сталей (850...950⁰С) забезпечує вирівнювання складу аустеніту та ліквідацію збіднених хромом ділянок; для стабілізованих сталей – переведення С з карбідів Cr в спеціальні карбіди Ti або Nb та вивільнення Cr і створення необхідного рівня корозійної стійкості.

Аустеніто-феритні сталі (08Х22Н6Т, 08Х18Г8Н2Т) мають підвищену границю плинності у порівнянні із аустенітними однофазними сталями, відсутність схильності до росту зерна при зберіганні двофазної структури, менший вміст дефіцитного нікелю та добру зварюваність. А-Ф сталі використовують в хімічному машинобудуванні, суднобудуванні, авіації.

Сталі аустеніто-феритного класу містять приблизно £0,08%С; 18...22% Cr, 2...6% Ni (іноді частину нікелю заміняють на Mn) та деяку кількість Mo, Ti, Cu. А-Ф-сталі за хімічним складом – комплексно леговані, можуть мати в структурі різні співвідношення аустенітних та феритних фаз. Завдяки високому вмісту хрому аустеніт стає більш стійким до мартенситного перетворення, але повністю запобігти утворенню мартенситу в цих сталях не можливо.

А-Ф сталі мають меншу схильність до МКК, ніж аустенітні. Нечутливість до МКК можна досягнути: гартуванням від температури 950⁰С (замість 1050...1150⁰С) або витримкою при температурах вище 950⁰С із стабілізаційним (для зняття напружень) короткочасним відпуском (5 хвилин) в інтервалі 700...850⁰С

9.1.2 Жаростійкі (окалиностійкі) сталі. Такі сталі здатні протистояти газовій корозії при температурах, вищих 500 °С, та працювати без навантаження або у слабконавантаженому стані. Стійкість металів та сплавів проти окислення залежить від щільності оксидної плівки, співвідношення питомого об’єму оксиду та металу, дифузійної рухомості атомів металу через оксид, коефіцієнтів лінійного, термічного розширення матриць та оксиду.

При нагріванні заліза утворюється здебільшого оксид FeO, який характеризується низькою щільністю та високою дифузійною рухомістю атомів заліза у FeO. Тому залізо інтенсивно окислюється при температурах вище 600 °С.

Жаростійкість заліза та сталі можна підвищити легуванням хромом, кремнієм, алюмінієм, які мають велику хімічну спорідненість до кисню та утворюють щільні захисні оксидні плівки Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂, а також подвійні оксиди – шпінелі FеО×Cr₂O₃, FeО×Al₂O₃ з високими захисними властивостями.

Жаростійкість є структурно нечутливою властивістю, залежить лише від кількості легувальних елементів. З ростом концентрації хрому, алюмінію, кремнію зростає також жаростійкість сталі, наприклад, сталь 08ХІ7Т жаростійка до 900 °С, І5Х25Т – до 1100 °С, Х23Ю5 – до 1З00°С).

9.1.3 Жароміцні сталі. Жароміцність – це здатність матеріалу тривалий час протистояти деформуванню та руйнуванню при підвищених (>0,3Тпл) температурах. При тривалому навантаженні у цих умовах поведінка матеріалу зумовлюється дифузійними процесами та визначається розвитком процесу повзучості.

Повзучість – це повільне зростання пластичної деформації під дією напружень, що менше границі плинності при температурі випробування або експлуатації. Критеріями жароміцності є границі повзучості та тривалої міцності.

Границя повзучості – це напруження, що викликає задане відносне видовження за відповідний час (або швидкість деформації повзучості) при певній температурі. Наприклад, якщо при s = 140 МПа відносне видовження склало 1 % за 5000 годин при 1000 °С, границя повзучості позначається таким чином:

.

Границя тривалої міцності – це напруження, що приводить до руйнування за певний час при заданій постійній температурі. Наприклад, якщо руйнування при 700 °С відбулося за 100 годин під напруженням 120 МПа, границя тривалої міцності позначається як

.

Висока жароміцність досягається у тому випадку, коли структура матеріалу не зазнає змін під дією температури та напружень, і в ньому ускладнено перебіг процесів рекристалізації, дифузії та пластичної деформації. У зв’язку з цим для отримання високих жароміцних властивостей використовують:

- як металооснови сплавів елементи з підвищеною температурою плавлення;

- легувальні елементи (хром, вольфрам, молібден, ванадій) для забезпечення зміцнення твердого розчину; атоми цих елементів ефективно протидіють деформації та рекристалізації;

- структури з рівномірно розподіленими дисперсними частинками карбідів VC, WC, Mo₂C та інтерметалідів Ni₃Ti, Ni₃(Al,Ti), що когерентно зв’язані з матрицею (формуються за допомогою легування та термічної обробки).

Рекристалізація контролюється дифузією, тому більш високу жароміцність мають сталі аустенітного класу, в яких дифузійна рухомість атомів у g-фазі в 20...30 разів менша, ніж у a-фазі. При підвищених температурах деформація та руйнування відбувається перш за все по межах зерен, тому укрупнення зерен (зі зменшенням сумарної довжини меж) сприяє збільшенню жароміцності.

За структурою в нормалізованому стані жароміцні сталі поділяють на перлитні, мартенситні та аустенітні; за рівнем жароміцності на помірно жароміцні та жароміцні.

Сталі перлитного та мартенситного класу – це сталі помірної жароміцності. Помірно жароміцні сталі використовують в енергетичному машинобудуванні для виготовлення котлів, посудин, пароперегрівачів тощо, а також в хімічному та нафтовому машинобудуванні для роботи при підвищених температурах.

Робочі температури сталей помірної жароміцності досягають 600⁰С, а тиск газових або рідких середовищ 20...30 МПа. Деякі деталі з таких сталей повинні працювати тривалий час без заміни (до (1...2)×10⁵ год), тому основними вимогами до матеріалів є задані значення тривалої міцності та опір повзучості на весь ресурс експлуатації. В залежності від умов роботи деталей використовують вуглецеві, низьколеговані та хромисті теплостійкі сталі помірної жароміцності.

До сталей перлитного класу відносять низьколеговані сталі (12Х, 12Х1МФ, 25Х1МФ, 20Х3ВМФ), які працюють при температурах до 585⁰С та тиску 25,5 МПа. Вміст вуглецю приблизно становить 0,08...0,2%. Основні легувальні елементи: Cr, W, Mo, V, Nb, Ti. Вміст кожного з них окрім хрому не перевищує 1%. Cr, W, Mo та V підвищують температуру рекристалізації фериту та уповільнюють дифузійні процеси, що підвищує жароміцність сталі.

Для сталей цієї групи використовують термічну обробку, що складається з гартування або нормалізації (900...1000⁰С) та високого відпуску (730...750⁰С) або відпалу (~850⁰С).

До групи сталей мартенситного класу відносять сталі, що містять від 5 до 13% Cr та карбідоутворювальні елементи: Mo, W, Nb, V та Ti при вмісті вуглецю 0,08...0,22% (наприклад, 15Х5М, 15Х5ВФ, 14Х12В2МФ). Сталі цього класу більш жароміцні та жаростійкі, ніж низьколеговані сталі; мають добрі технологічні властивості, високу міцність, пластичність та ударну в‘язкість. Використовуються для різноманітних деталей енергетичного машинобудування (лопатки, труби, деталі турбін). Працюють тривалий час при температурах 600...650⁰С.

В структурі цих сталей можуть бути такі складові: мартенсит, карбіди типу М₂₃С₆, М₇С₃, М₆С, М₂С, МC та інтерметаліди (в основному фази Лавеса Fe₂Mo, Fe₂W, Fe₂(Mo,W)).

Для тривалої роботи при підвищених температурах ці сталі використовують після відпалу 840...860⁰С або нормалізації 900...950⁰С та наступним відпуском з метою отримати якомога можна більш стабільну структуру, яка складається з феритної основи, легованої Mo та W, та порівняно дисперсних карбідів, в основному спецкарбідів ванадію.

Сталі з 12% хрому мають більш високі температури експлуатації (t_експл) та в залежності від вмісту С і режиму термооброки можуть мати ферито-мартенситну або мартенситну структуру. Введення легувальних елементів, що зміцнюють твердий розчин, та сильних карбідоутворювачів, а також N та В приводить до утворення карбідних та карбонітрідних фаз високої стабільності, а також інтерметалідних фаз, в основному фаз Лавеса. Все це суттєво підвищує жароміцність 12%-их хромистих сталей.

Для отримання оптимальної жароміцності високохромисті сталі загартовують на мартенсит з охолодженням в маслі (t_гарт=1000...1020⁰С). Високі температури гартування є необхідними для розчинення карбідів М₂₃С₆ в аустеніті. Відпуск сталей, що призначені для тривалої експлуатації, зазвичай проводять при більш високих температурах (на 100...150⁰С вище, ніж t_експл), щоб забезпечити стабільність структури та властивостей на весь ресурс роботи.

Для випускних клапанів двигунів внутрішнього згорання використовують хромокремністі сталі мартенситного класу, що отримали назву сильхромів (40Х9С2, 40Х10С2М). Опір окисленню у сильхромів забезпечується високим вмістом Cr та Si. Ці сталі при нагріванні та охолодженні мають повну фазову a«g-перекристалізацію. Сталі використовують після гартування в маслі від 1000...1050⁰С та відпуску при 750...800⁰С з охолодженням на повітрі або в воді.

Аустенітні жароміцні сталі використовують для виготовлення клапанів двигунів, лопаток газових турбін та інших “гарячих” деталей реактивних двигунів – в основному для роботи при 600...800⁰С.

Аустенітні жароміцні сталі мають високі рівні жароміцності та окалиностійкості, пластичності, добру зварюваність, високий коефіцієнт лінійного розширення. Але в порівнянні із перлитними та мартенситними сталями вони менш технологічні: обробка тиском та різанням цих сплавів ускладнена; зварний шов має підвищену крихкість; отримане внаслідок перегрівання крупне зерно не може бути виправлено термічною обробкою, тому що в цих сталях відсутня фазова перекристалізація. В інтервалі 550...600⁰С ці сталі схильні до окрихчування внаслідок виділення по межах зерен різних фаз.

Сталі аустеніту класу містять велику кількість Cr (для забезпечення окалиностійкості), Ni та Mn (для забезпечення аустенітної структури). Для досягнення високої жароміцності їх додатково легують Mo, W, V, Nb та B.

За основним типом зміцнення аустенітні сталі поділяють на три групи:

а)”гомогенні” сталі – це сталі з твердорозчинним зміцненням (аустеніту): 10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР, 09Х14Н16Б. Сталі цього типу використовують переважно в енергомашинобудуванні для виготовлення труб пароперегрівачів та паропроводів, як арматура приладів надвисоких параметрів, розрахованих на тривалий (до 10⁵год) строк експлуатації при 650...700⁰С. До цієї групи відносяться низьковуглецеві хромонікелеві сталі, які додатково леговані елементами, що зміцнюють g-твердий розчин. "Гомогенність" треба розуміти умовно, тому що є деяка кількість карбідів та карбонітридів.

При легуванні цих сталей прагнуть отримати максимально стабільну аустенітну структуру, запобігти або уповільнити виділення вторинних фаз (карбідів, карбонітридів, фаз Лавеса та ін.). Все це дозволяє мати необхідний рівень тривалої міцності та пластичності впродовж всього строку експлуатації. Ці сталі також мають високі технологічні властивості: здатність до гарячої пластичної деформації, зварюваність та ін. Це досягається: збільшенням вмістом нікелю (це надає сталі стабільну аустенітну структуру); низьким вмістом вуглецю (0,06...0,012%) та підвищеним відношенням (Ti,Nb)/C >10, що забезпечує у вихідному стані присутність карбідів NbC, TiC та карбонітрідів Nb,Ti(C,N), які перешкоджають утворенню при експлуатації карбідних фаз типу M₂₃C₆.

Висока жароміцність таких сталей досягається високою легованістю g-твердого розчину такими елементами, як W (до 2...3%), Mo (до 2,5%). Стабільні карбонітридні фази та високолегований аустеніт обумовлюють високі температури рекристалізації сталей такого типу.

Термічна обробка сталей цієї групи складається з істинного гартування (1050...1200⁰С) та стабілізаційного відпуску (700...750⁰С). Метою термічної обробки є отримання більш однорідного g-твердого розчину, заданої величини зерна (номер 3...6) та стабільної структури. Старінням ці сталі не зміцнюють.

б) сталі з карбідним зміцненням (45Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС) призначені для роботи при температурах 650...750⁰С та високих рівнях напружень. Їх використовують для виготовлення відповідальних деталей енергомашинобудування (клапани ДВЗ, диски та лопатки турбін, деталі кріплення).

Основа сталей цієї групи – хромонікелевий або хромонікельмарганцевий аустеніт, що містить 0,25...0,5%С. Також присутні карбідоутворювачі V, Nb, W, Mo, що зв‘язують частину вуглецю в спецкарбіди, а також зміцнюють аустенітну матрицю. Фазами-зміцнювачами в сталях цього типу є карбіди ванадію та ніобію (VC, NbC), а також карбіди хрому (типу Ме₂₃С₆ та Ме₇С₃), останні також можуть розчиняти в собі інші елементи (Fe, W, Mo тощо).

Термічна обробка для сталей цієї групи складається з двох операцій: істинне гартування (від 1050...1200⁰С), яке проводиться з метою розчинення карбідних та інтерметалідних фаз та отримання після охолодження однорідного високолегованого твердого розчину; старіння при 600...850⁰С, яке призначене для виділення дисперсних фаз (карбідів) з твердого розчину. При цьому температура старіння не повинна призвести до помітної коагуляції надлишкових фаз.

в) сталі з інтерметалідним зміцненням (наприклад, 10Х11Н20Т3Р, 10Х11Н23Т3МР) використовують при виготовленні дисків, зварних виробів та інших деталей компресорів, турбін, що працюють при температурах до 750...850⁰С.

За допомогою легування в цих сталях створюють високолегований залізонікелевий аустеніт, що має схильність до розпаду при старінні та утворення фаз типу g¢ (Ni,Fe)₃(Ti,Al) та фаз Лавеса Fe₂Mo, Fe₂W, Fe₂(Mo,W), (Fe,Cr,Ni)₂W, (Fe,Cr,Ni)₂(W,Mo); також є можливим утворення карбідів типу МС (TiC).

Вміст вуглецю обмежують <0,1%. Додатково вводять Mo та W (до 3,5%) з метою підвищення тривалої міцності.

Термічна обробка для цих сталей така ж, як і для аустенітних сталей з карбідним типом зміцнення. Структура після термічної обробки – аустеніт та інтерметалідні фази.

Підвищення жароміцності пов‘язано з тим, що легувальні елементи утруднюють дифузію в аустенітній матриці, перешкоджають розчиненню та коагуляції інтерметалідних фаз, збільшують їх кількість при старінні (завдяки зменшенню розчинності Ti та Al в аустеніті) та зсувають температуру максимального зміцнення до більш високих значень.

9.2 Завдання на підготовку до лабораторної роботи

9.2.1. Описати вплив легувальних елементів на корозійну стійкість, жаростійкість та жароміцність легованих сталей; вимоги до структури для забезпечення необхідних властивостей.

9.2.2. Ознайомитися із визначенням структури в рівноважному та нормалізованому станах спеціальних сталей (рис. 9.1 та 9.2).

9.3 Контрольні запитання для самоперевірки

і контролю підготовленості до лабораторної роботи

9.3.1. Що таке корозійна стійкість, види корозії? Корозійностійкі сталі та принципи їх легування.

9.3.2. Що таке жаростійкість? Жаростійкі сталі. Принципи їх легування?

9.3.3. Що таке жароміцність. Критерії жароміцності?

9.3.4. Фактори, що впливають на підвищення жароміцності сталей та сплавів.

9.3.5. Жароміцні сталі перлитного та мартенситного класу.

9.3.6. Жароміцні сталі аустенітного класу

9.4 Матеріали, інструменти, прилади та обладнання

Робота виконується на металографічному мікроскопі МІМ-5 та МІМ-7. Добірка шліфів містить неіржавіючі, жароміцні, жаростійкі сталі після термічної обробки.

9.5 Вказівки з техніки безпеки

Робота виконується відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки (додаток А).

9.6 Порядок виконання роботи

9.6.1 Переглянути мікроструктуру зразків сталей з особливими властивостями.

9.6.2 Із використанням довідкових даних визначити структуру, основну термічну обробку, властивості та призначення матеріалів.

9.6.3 Зарисувати (схематично) мікроструктуру переглянутих сталей зі спеціальними властивостями. Вказати структурні складові, хімічний склад, призначення, термічну обробку, властивості сталей, заповнити таблицю 9.1.

Таблиця 9.1 – Склад, структура та властивості спеціальних сталей

9.7 Зміст звіту

Основні загальні відомості відповідно до завдання на підготовку до лабораторної роботи. Рисунки 9.1, 9.2. Схеми мікроструктур розглянутих зразків, таблиця 9.1.

9.8 Рекомендована література

[2], с. 252–262; [3], с. 448–498; [5], с. 290–308; [6], с. 269–295; [9], с. 258–285, 290-319; [10].

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 10

Вивчення структури, властивостей

та призначення жароміцних сплавів

Мета роботи – вивчити особливості структури і