Материал: LAB10

5

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образование учреждение высшего образования

«Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина»

Кафедра металловедения и неметаллических материалов

С.П. Григорьев, В.П. Ерошкин, А.П. Ефремов,

Б.М. Казаков, Г.А. Трофимова

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ.

ОТПУСК

для студентов всех специальностей

Под редакцией проф. А.К. Прыгаева

Москва - 2016

Цель работы

Изучить влияние температуры отпуска на структурные превращения в легированных сталях и на их механические свойства.

Задание

1. Построить графики зависимости твердости от температуры отпуска для легированных сталей 40Х, 12Х18Н9Т, 30Х13, Р18.

2. Провести анализ структурных превращений легированных сталей при отпуске в интервале температур 200 - 700⁰ С.

Основные сведения

Отпуск легированных сталей, как и углеродистых, проводится вслед за закалкой. Легирующие элементы вносят некоторые изменения в механизм и кинетику превращений при отпуске сталей. Основное влияние оказывают карбиды легирующих элементов и повышенная устойчивость легированного мартенсита к распаду при нагреве.

Закаленные легированные стали перлитного, аустенитного, мартенситного и карбидного классов, представителями которых являются соответственно стали 40Х, 12Х18Н9Т, 30Х13, Р18, после закалки имеют различные структуры и свойства.

- в стали 40Х перлитного класса в результате закалки образуется мартенсит и остаточный аустенит ( 5 - 8 % ), твердость 53-58 HRC,

- структура стали 12Х18Н9Т аустенитного класса после закалки состоит из легированного аустенита, твердость HV 1500 МПа,

- после закалки стали 30Х13 мартенситного класса образуется структура мартенсита с карбидами, твердость 55-58 HRC,

- сталь Р18 карбидного класса после правильно выбранного режима закалки имеет структуру мартенсита с большим количеством остаточного аустенита и мелкими зернами карбидов ( HV 8200 ).

В легированных сталях, по сравнению с углеродистыми, вторая и третья стадии отпуска происходят при более высоких температурах, так как почти все легирующие элементы ( Cr, Mn, Si, W, Mo, Co и др. ) увеличивают силы связи в твердых растворах и затрудняют диффузионное перераспределение элементов.

Кроме того, карбидообразующие элементы, имеющие большое химическое сродство к углероду ( Ti, Nb, V, W , Mo, Cr ) уменьшают скорость диффузии углерода и замедляют образование карбидов.

В легированных сталях распад мартенсита завершается при 450 - 500⁰ С.

Тип карбидов, образующихся в легированных сталях при отпуске, зависит от температуры. При температурах  400 ⁰ С диффузия легирующих элементов затруднена . При этих температурах преимущественно образуются карбиды железа, при более высоких - специальные карбиды (те, в состав которых входят легирующие элементы ) - М₇С₃ , М₂₃С₆ , М₆С , МС. В сталях, содержащих примерно 1 % Cr, выделение специальных карбидов происходит при температурах 500 - 525 ⁰ С , в сталях, легированных молибденом (  0,8 % )- при 575 - 600⁰С. В легированных сталях замедлена и коагуляция специальных карбидов, поэтому указанный процесс протекает при более высоких температурах ( 600 - 680⁰ С ).

Превращение остаточного аустенита при отпуске легированных сталей также замедляется и смещается в область более высоких температур ( 400 - 550⁰ С). Кроме того, в сталях с высоким содержанием карбидообразующих легирующих элементов, при распаде аустенита выделяется не цементит, а специальные карбиды, аустенит обедняется легирующими элементами и поэтому при последующем его охлаждении может претерпеть мартенситное превращение .

Влияние отпуска на механические свойства сталей

Описанные выше изменения структуры сталей при отпуске приводят к значительному изменению их механических свойств.

Общей тенденцией изменения свойств стали при отпуске является снижение ее прочностных характеристик ( твердости НВ, _0,2 , _в ) и повышение пластических - ( ,  ). Причем, при всех видах отпуска суммарное изменение механических свойств обусловлено рядом структурных факторов, действующих часто в противоположных направлениях. Так например, снижение тетрагональности мартенсита приводит к снижению прочностных характеристик и увеличению пластических. Однако выделение мелкодисперсных карбидов или образование вместо однофазного остаточного аустенита, областей с гетерогенной феррито-карбидной в углеродистых или мартенситно-карбидной структурой в легированных сталях, повышает прочностные и снижает пластические характеристики. Конечный результат зависит от соотношения вкладов действующих факторов.

В легированных сталях, содержащих значительное количество карбидообразующих элементов, при температурах 500-550⁰ С твердость не только не снижается, но даже растет, что обусловлено выделением специальных карбидов.

Для легированных также как и для углеродистых сталей на практике применяют низкий отпуск ( с нагревом до 250⁰ С), средний (350-500⁰ С ) и высокий (550-680⁰ С ) . Каждый из этих видов отпуска устраняет частично или полностью остаточные напряжения, возникшие при закалке. Для полного снятия напряжений рекомендуется применять высокий отпуск.

Несмотря на то, что пластические характеристики легированных сталей  и  с повышением температуры отпуска растут, ударная вязкость ( КСV ) с ростом температуры отпуска изменяется не монотонно. Для многих легированных конструкционных сталей имеется два температурных интервала, в которых с ростом температуры отпуска ударная вязкость не растет, а падает. Первый интервал соответствует температурам 250-350⁰ С, а второй - температурам 500 - 550⁰ С. Явление снижения ударной вязкости при отпуске получило название отпускной хрупкости. Отпускная хрупкость 1 рода ( необратимая ) наблюдается при 250-350⁰ С и повторным нагревом не устраняется. Для ее устранения требуется нагрев до температур выше 400⁰ С. Хрупкость при отпуске в интервале 250-350⁰ С связана с неоднородным по объему распадом мартенсита.

Обратимая отпускная хрупкость П рода наблюдается при отпуске ряда легированных сталей при их длительном пребывании в интервале температур 500 - 550⁰ С. Если охлаждение после отпуска проводить быстро, то отпускная хрупкость не появляется.

Наиболее вероятной причиной появления обратимой отпускной хрупкости является образование карбидов по границам зерен и повышенное содержание на границах зерен фосфора и других элементов, приводящие к более легкому зарождению трещин.

Обратимая отпускная хрупкость может быть устранена повторным нагревом до 600-650⁰ С и быстрым охлаждением.

Структурные превращения стали 40х

Легированные конструкционные стали перлитного класса, закаленные на мартенсит, при отпуске испытывают те же превращения , что и углеродистые стали.

От 80 до 200⁰ С происходит уменьшение степени тетрагональности мартенсита за счет выделения избыточного углерода из  - твердого раствора; образуется отпущенный мартенсит, незначительно уменьшается твердость.

От 200 до 300⁰ С идет превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит.

При дальнейшем нагреве до 400 - 450⁰ С снижаются структурные напряжения и формируются карбиды на основе выделяющегося из мартенсита избыточного углерода. Образуется мелкодисперсная смесь феррита и цементита. Образующаяся структура называется троостит отпуска, а укрупнение зерна при дальнейшем повышении температуры отпуска приводит к образованию структуры сорбит отпуска.

В стали 40Х могут возникать два вида отпускной хрупкости: 1 и П рода (рис. 1 )

Среднеуглеродистые ( 0,3 - 0,5 % С ) легированные стали, к которым относится сталь 40Х, приобретают эффективный комплекс механических свойств после улучшения-закалки и высокого отпуска (500-650⁰ С ). Улучшение этих сталей в отличие от нормализации обеспечивает повышенный предел текучести в сочетании с хорошей пластичностью и вязкостью, высоким сопротивлением развитию трещины. Кроме того, улучшение заметно снижает порог хладноломкости, который в этих сталях, в отличие от низкоуглеродистых, лежит при более высоких температурах.

Улучшаемые легированные стали применяют для большой группы деталей машин, работающих в условиях циклических и ударных нагрузок ( валы, штоки, шатуны и др. ), концентрации напряжений, а в некоторых случаях и при пониженных температурах. При выборе стали кроме предела текучести, вязкости разрушения, чувствительности к надрезу важное значение могут иметь также величины верхнего и нижнего порогов хладноломкости, сопротивление усталости.

Хромистая сталь 40Х относится к дешевым конструкционным материалам с достаточно высокими механическими свойствами ( см. табл. 1).

Таблица 1

Термическая обработка и механические свойства улучшаемых легированных сталей

Сталь	Температура закалки, 0 С	Охлаждающая среда	О Т П У С К		в	0,2			КСU, МДж/м2
			Температура,0С	Среда охлаждения	МПа		%
					Не менее
40Х	860	Масло	5000 С	Вода, масло	1000	800	10	45	0,6

0

300

600

900

1200

1500

1800

150

300

450

600

0

20

30

40

50

60

10

Í Í

Í

42

Структурные превращения стали 12х18н9т

Аустенит закалки в стали 12Х18Н9Т неустойчив, так как согласно диаграмме состояния (рис. 2 ) в равновесном состоянии в этой стали помимо аустенита должны содержаться феррит и карбиды типа М₂₃С₆.

При нагреве закаленной стали аустенит остается устойчивым до температур порядка 400⁰ С. С дальнейшим ростом температуры отпуска происходит образование мелкодисперсных карбидов хрома на границах зерен аустенита. При этом приграничные области аустенита обедняются хромом.

Основным результатом карбидообразования является увеличение твердости стали ( дисперсионное твердение ). Однако, при этом коррозионная стойкость и ударная вязкость стали уменьшаются.

Снижение коррозионной стойкости стали происходит из-за связывания значительного количества хрома в карбидах и снижения его концентрации в аустените вдоль границ зерен наименьшего значения содержания хрома, обеспечивающего коррозионную стойкость, т. е. 12 %, что способствует развитию коррозии.

Структурные превращения стали 30х13

Мартенсит, получающийся в стали 30Х13 после закалки, очень устойчив при нагреве, если температура нагрева при закалке была подобрана так, что хром практически полностью растворился в аустените. В этом случае хром при охлаждении остается в составе мартенсита, обеспечивая его устойчивость.

При низком отпуске хрупкость закаленной стали уменьшается вследствие частичной релаксации напряжений. Высокое содержание хрома в стали является причиной, что распад легированного мартенсита при отпуске начинается при 400⁰С.

Поэтому при отпуске до температур 450⁰ С твердость стали 30Х13 практически не изменяется. За счет выделения дисперсных карбидов хрома при температурах отпуска 450-500⁰ С твердость повышается, обеспечивая эффект так называемой вторичной твердости. Такой режим обусловливает выгодное сочетание предела пропорциональности и ударной вязкости. Поэтому для пружин рекомендуется после закалки с 1000-1050⁰ С в масле отпуск при 4500 С в течение 1 ч. с охлаждением на воздухе.

Важнейшим свойством инструмента является его твердость. Высокая твердость обеспечивается после закалки осуществлением низкого отпуска (180-200⁰ С) в течение 1 ч ( HRC 56-60 ) c последующей обработкой холодом ( HRC 58-60 ).

С

44

таль 30Х13 применяют для изготовления игл карбюраторных клапанов и жиклеров, пружин, хирургических инструментов, деталей газонефтепромыслового оборудования, подверженных одновременно большим динамическим, ударным нагрузкам и коррозионному воздействию. Это детали газлифтных клапанов, клапаны глубинных штанговых насосов, подшипники.

Структурные превращения стали р18 при отпуске

Отпуск быстрорежущей стали после закалки проводят главным образом для того, чтобы полностью разложить в ней остаточный аустенит, снижающий твердость и режущие свойства инструмента. После закалки стали аустенита в ее структуре содержится до 30 % .