Лабораторная работа №4 Микроструктура легированных сталей

Легирующие элементы в стали, растворяясь в феррите и цементите, образуют легированный феррит, например, ,, Легированный цементит, например, и т.д. Легирующие элементы могут присутствовать в стали в виде металлических соединений , а также в виде самостоятельных карбидов (и т.д.).

Легирующие элементы по-разному влияют на условия равновесия. Ni и Mn в сплавах на основе железа понижают критическую точку и повышают точку , расширяя тем самым область γ – фазы (рис. I,а), т.е. способствуют образованию аустенита. Cr, W, Mo, Si, Al повышают точку и понижают точку , сужая тем самым γ – область (рис. I,б), т.е. способствуют стабилизации феррита.

% легирующих элементов % легирующих элементов

а) б)

Рис. I

1. 
   Большинство легирующих элементов влияют на кине-тику превращения аустенита, как правило, замедляя ее.
   

С этой точки зрения различают три основных класса стали: перлитный, мартенситный, аустенитный и несколько промежуточ-ных: аустенитно-мартенситный, мартенситно-стареющий и аустенитно-стареющий.

Для сталей перлитного класса, содержащих небольшое количество легирующих элементов, кривая скорости охлаждения на воздухе пересекает обе ветви С-кривых в области перлитного превращения (рис 2,а). У сталей мартенситного класса, содержащих большое количество легирующих элементов (вследствии чего С-кривые сдвинуты вправо, а мартенситная точка ближе к 0°С), кри-вая скорости охлаждения на воздухе не пересекает С-кривых (рис. 2,б), поэтому при температуре 20°С структура стали состоит из мартенсита. При значительном содержании легирующих элементов С-кривые значительно сдвинуты вправо (рис 2,в), а мартенситная точка находится ниже 0°С. Таким образом, при охлаждении стали на воздухе ее структура при 20°С будет аустенитной.

а) перлитный класс б) мартенситный класс в) аустенитный класс

Рис.2

В лабораторной работе изучается микроструктура различных классов легированной стали.

Указанный состав позволяет получить у стали после нормали-зации аустенитную структуру с повышенными механическими и коррозионными свойствами. Хром придает стали антикоррозион-ные свойства. Известно, что двойные железоникелевые сплавы приобретают антикоррозионную стойкость при содержании 12% хрома, когда электродный потенциал сплава становится положи-тельным. При этом на поверхности стали возникает плотная защитная окисная пленка типа шпинели , предохраняющая сплав от окисления. Титан предотвращает интеркристаллитную коррозию. Такая коррозия обычно возникает у закаленной стали, не содержащей титана, после нагрева до 500-600°С.

Обычно сталь I2XI8HI0T подвергают термической обработке, состоящей из закалки с 1050-1100°С в воде или на воздухе. Микро-структура стали после термической обработки состоит из зерен легированного аустенита (твердый раствор углерода, никеля и хрома в γ-железе). В некоторых зернах видны двойники – следы пластической деформации. Иногда в микроструктуре стали I2XI8HI0T можно наблюдать присутствие карбида титана TiC, абсолютное количество которого невелико, так как общее содержание углерода в стали малое.

Как указывалось выше, если закаленную хромоникелевую сталь, не имеющую в своем составе титан, нагревать до 500-600°С, она подвергается интеркристаллитной коррозии. Интеркристал-литная коррозия возникает при нагреве стали, в результате этого ускоряется процесс диффузии; на границах зерен твердого раствора выделяется богатая хромом карбидная фаза , а концен-трация хрома в пограничных слоях зерен оказывается ниже 12% (граница коррозионной стойкости). Это сопровождается резким уменьшением величины электродного потенциала у границ зерен твердого раствора, что и приводит к интеркристаллитной коррозии. Если ввести в сталь более сильный, чем хром, карбидообразователь – титан, можно избежать образования карбидов хрома и таким образом предотвратить интеркристаллитную коррозию.

После холодной пластической деформации (наклепа) предел прочности стали XI8HI0T повышается до σв = 100 кг/мм², а пластичность падает до δ=10%.

Сталь XI8HI0T немагнитна, коррозионно-устойчива в морской воде и азотной кислоте, пластична, отличается высокой жаростой-костью (800°С); широко применяется в авиации для кратковремен-ной и длительной работы таких деталей, как коллекторы реактив-ных двигателей, выхлопные патрубки и др.

Эта сталь применяется в авиации для деталей внутреннего набора изделий, работающих кратковременно до 550°С в контакте с топливом и в атмосферных условиях для обшивки и силовых элементов высокоскоростных летательных аппаратов.

Введение в сталь молибдена необходимо для протекания процесса старения легированного мартенсита. Никель и кобальт, уменьшая растворимость молибдена в α-Fe, способствуют уп-рочнению при старении и повышают сопротивление хрупкому раз-рушению. Кобальт позволяет уменьшить количество остаточного аустенита в стали после закалки.

Упрочнение стали достигается путем закалки на мартенсит и последующего старения мартенсита.

Закалка с 1200°С в воде производится с целью уничтожения карбонитридной фазы, которая после предварительной обработки располагается по границам зерен твердого раствора, охрупчивая сталь.

Трехкратный отпуск при 940°С производится для измельчения зерен твердого раствора.

С целью увеличения сопротивления стали против коррозион-ного растрескивания сталь закаливают с 820°С. Старение произ-водится при 480-520°С в течение 3ч., в процессе которого из твердого раствора выделяются дисперсные (40-80Å) интерметал-лические фазы, упрочняющие сталь.

Микроструктура стали состоит из безуглеродистого мартен-сита «драночного» характера и дисперсных включений упрочняющей фазы состава Ni3Ti, NiTi, Fe2Mo (фаза Лавеса).

Характерной особенностью безуглеродистого мартенсита является его высокая пластичность и вязкость. Это позволяет легко производить механическую обработку (шлифовку) готовых деталей. Сталь хорошо сваривается.

Сталь нашла применение для деталей шасси и крепежных деталей.

90Г29Ю9ВБМШ (ДИ-38Ш, ЭП839ПД) – «Ферманал». Состав стали: 0,85-095%С; 28-30%Mn; 8,3-9,3%Al; 0,6-0,9%W или 0,2-04%V; 0,3-0,6%Nb; 0,3-0,5%Mo; Fe-основа. Сталь выплавляется путем электрошлакового переплава. Относится к аустенитному классу с дисперсным уплотнением.

Плотность этой стали составляет 6,6-6,8г/см³, что на 13-15% ниже, чем у других сталей.

В закаленном состоянии сталь состоит из аустенитной струк-туры, феррито-образующее действие алюминия компенсировано аустенитообразующими элементами: марганцем (до 30%) и углеродом (0,9%). Вольфрам, молибден и ниобий вводятся в сталь с целью измельчения аустенитного зерна.

Упрочнение стали достигается путем закалки 1050°С в масле и старения при 550°С в течение 16 ч. Закалка предназначается для обеспечения хорошей технологичности и пластичности, благодаря образованию однородной мелкозернистой аустенитной структуры. При старении происходит упрочнение стали и повышение твердости вследствие выделения из аустенита дисперсных карбидов типа (Fe,Mn)3AlCx, количество которых не должно превы-шать 15-20%. Эта сталь дешевле нержавеющих и не содержит дефицитных элементов, как никель и кобальт, немагнитная, хорошо сваривается аргонно-дуговой сваркой. Сталь коррозионностойка в условиях влажной атмосферы, не склонна к коррозии под напряже-нием. При эксплутации в коррозинно-активных условиях рекомен-дуется применять защитные покрытия.

Сталь применяется в авиадвигателестроении, самолетостроении и дизелестроении для деталей типа корпусов, крыльчаток, валов, экранов и шатунов, изготовляемых из штамповок, прутков, листов, отливок, работающих до 550°С длительно. Применение в авиации сталей с малой плотностью позволяет экономить топливо.

XI7. – хромистая нержавеющая сталь ферритного класса. Состав стали: 0,12%С, 16-18%Сr. Микроструктура стали: легиро-ванный хромом феррит. Цель закалки: растворение карбидов хрома для получения однородной структуры; цель отпуска: повышение пластичности.

Сталь XI7 применяется в авиации как кислотоупорная и жаростойкая.

Изучить характерные особенности микроструктуры и свойств основных групп легированной стали, широко используемой в эле-ментах конструкций летательных аппаратов гражданской авиации.

Ниже, в таблице, приведен перечень образцов – шлифов леги-рованных сталей, прошедших стандартную термическую обработку, предназначенных для самостоятельного исследования микроструктуры.

В той же таблице приведены механические свойства сталей.

Таблица

Марка стали	Режим терми- ческой обра- ботки, °С	Механические свойства
		σв	σ0,2	Ψ	δ	αн2	НВ
		кг/мм²		%		кгм/см²	кг/мм²
30XГСА	Отжиг 860° Закалка 880° (масло) Отпуск 510°	80 40 120 100		50 15 50 8		4 10	180 380
I8X2H4BA	Закалка 850° (воздух) Отпуск 570°	140 120		50 14		12	350
I2XI8HI0T	Закалка 1050° (вода)	55 20		55 40		12,5	140
XI5H9Ю	Нормализация 960-1000°, обработка холодом (-70°), старение 500°С, Iч	130 110		50 20		10	35
XI7	Закалка 980-1050°(воздух или масло) Отпуск 750°	45 30		50 25		______	180
03HI8K9M5T	Закалка 1200° Трехкратный отпуск 940° Закалка 820° Старение 520° 3ч.	190- 180- 210 200		40- 8- 60 12		4 - 6
90Г29Ю9ВБМШ (ДИ – 38Щ ЭП 839 ПД) «Ферманал»	Закалка 1050° в масле, старение 550°,16ч	110- 90- 120 100		45- 25- 55 35		8 - 11

Студенты зарисовывают карандашом микроструктуру сталей на специальном бланке, указывая стрелками на полях структурные составляющие, режим обработки, состав сталей, их свойства и применение в авиации.

1. 
   Изложить цель работы
   
2. 
   Изучить особенности структурных превращений в легиро-ванных сталях.
   
3. 
   Зарисовать графики, поясняющие принцип классификации легированных сталей по структуре после нормализации.
   
4. 
   Зарисовать микроструктуру легированных сталей (x300) и указать структурные составляющие; привести характеристику изучаемых сталей.
   
5. 
   Ответить на вопросы для самопроверки.
   

Вопросы для самопроверки.

1. 
   Какое влияние оказывают легирующие элементы на фазовый состав, структуру и свойства сталей?
   
2. 
   Как классифицируются легированные стали?
   
3. 
   Что такое интеркристаллитная коррозия и как ее ликвиди-ровать?
   
4. 
   Для чего применяют обработку стали холодом и как произво-дят такую обработку?
   
5. 
   Для чего применяют трехкратный отпуск у мартенситно-стареющей стали?
   
6. 
   Приведите основные характеристики свойств и область и область применения стали «ферманал»
   

Большую перспективу имеют сплавы на основе бериллия, поскольку этот металл будучи весьма легким (γ=1,85) вместе с тем имеет большой модуль упругости (Е=31·10³кг/мм²).

Сплавы на основе бериллия весьма хорошо работают в конструкциях, претерпевающих сжатие, где требуется большая жесткость. Применение бериллия в авиации позволит уменьшить вес двигателя при вертикальном взлете на 35%, а самолета на 50%, тем самым эффективно решается проблема экономии топлива.
Сплавы на основе алюминия
Дуралюмины. Дуралюминами называются сплавы на основе алюминия, содержащие Cu и Mg. Дуралюмины принадлежат к группе легких цветных сплавов, поскольку основной компонент сплава – алюминий – имеет небольшой удельный вес (ρ=2,72 г/см³).

С алюминием элементы сплава образуют соединения состава CuAl2, CuMgAl2(S-фаза), Al2Mg3Zn3 (T-фаза).

На примере дуралюмина Д16 рассмотрим характерные структурные особенности этого сплава.

Все компоненты имеют переменную растворимость в алюминии, в связи с чем дуралюмины могут подвергаться уп-рочняющей термической обработке (закалка, старение).

Перед разливкой силумин подвергают модифицированию путем добавки к жидкому сплаву 2% (от веса сплава) смеси NaF и NaCl в соотношении 2:1. После модифицирования сплав приобретает мелкозернистое строение, в связи с чем его механи-ческие свойства увеличиваются: до модифицирования σв=14кг/мм², δ=3%, после модифицирования σв= 18кг/мм², δ=8%.

На рис.1 приведена диаграмма состояния Al-Si. Согласно диа-грамме, силумин АЛ2 до модифицирования (сплошные линии на диаграмме) имеет эвтектическую структуру (α+Si).


Рис. 1
Пластинки кремния, будучи хрупкими, уменьшают прочность сплава и его пластичность. Модифицирование видоизменяет диаграмму Al-Si (пунктирные линии). Структура после модифици-рования силумина становится доэвтектической, а пластинки крем-ния в эвтектике измельчаются. Избыточные (дендритного харак-тера) кристаллы альфа-фазы способствуют повышению пластич-ности силумина.
Литейные сплавы на основе магния
Магниевые сплавы принадлежат к группе легких сплавов.

Чистый магний имеет низкую прочность и пластичность, малую химическую стойкость. Он легко окисляется на воздухе, при плавлении на воздухе загорается. Вследствие этого как конструк-ционный материал чистый магний в авиационной технике не применяется.

Однако в сплавах с другими элементами магний используется, т.к. сплавы магния имеют малый удельный вес (ρ=1,75 г/см³), хоро-шо обрабатываются, и их механические свойства удовлетворяют требованиям, предъявляемым к авиационным материалам, хотя прочность и пластичность магниевых сплавов все же ниже, чем алюминиевых.
Сплавы на основе титана
Благодаря низкому удельному весу (ρ=4,5 г/см³) и высокой прочности, сплавы на основе титана имеют высокую удельную прочность . Это определяет широкое применение тита-новых сплавов в самолетных конструкциях ( > 10%). Значительное применение титановые сплавы нашли в сверхзвуковых самолетах. Недостатком титановых сплавов является низкий модуль упругости (Е=11000 кг/мм²), что затрудняет создание лег-ких и жестких конструкций. Титан обладает хорошей коррозийной стойкостью в морской воде и кислотах. Титановые сплавы могут работать до 550-600°С.

При 882°С титан претерпевает полиморфное превращение : фаза α (Г12) переходит в β (К8). При легировании титана образуют-ся α или β твердые растворы или химические соединения.

В зависимости от структуры в равновесном состоянии дефор-мируемые сплавы на основе титана делятся на три группы:

1. α – сплавы.

2. α+β – сплавы.

3. β – сплавы

Рассматриваемый в работе сплав ВТ3-1 (5,5% Al, 2% Сr, 2% Mo) относится к группе жаропрочных сплавов с α+β – структурой.

Алюминий повышает прочность сплава; хром увеличивает коррозионную стойкость и способствует старению; молибден, стабилизирующий β – фазу, увеличивает сопротивление сплава ползучести.

Введение в латунь свинца способствует хорошей обрабатываемости латуни резанием и давлением.

В зависимости от содержания основного легирующего элемен-та различаются следующие типы бронз:

а) оловянистая бронза – сплавы Cu с 2-14% олова с добавками свинца, никеля, фосфора. Такие бронзы имеют хорошие литейные и антифрикционные свойства. Они хорошо обрабатываются резанием, свариваются и паяются;

б) алюминиевые бронзы – сплавы Cu с 9-10% алюминия с добавками железа, никеля, марганца. Обладают повышенной жаростойкостью;

в) бериллиевые бронзы – сплавы Cu с 2-2,5% бериллия. Обладают высокой химической стойкостью, износостойкостью и упругостью;

г) кремнистые бронзы – сплавы Cu с 1-3% кремния и с неболь-шим количеством никеля и марганца. Обладают высокой упру-гостью и выносливостью, большой коррозионной стойкостью и антифрикционностью;

д) свинцовые бронзы – сплавы Cu, содержащие до 30 % свин-ца, обладают высокими антифрикционными свойствами и приме-няются только для изготовления деталей, работающих на трение.
Подшипниковый сплав. Баббит
По условиям работы подшипниковый сплав должен иметь гетерогенную структуру и состоять из мягкой основы и твердых включений. Мягкая основа сплава обеспечивает хорошую прираба-тываемость подшипника к валу, твердые включения служат опорными точками для трущихся частей вала. Небольшая поверх-ность соприкосновения вала и вкладыша уменьшает трение, а имеющиеся промежутки между валом и мягкой основой обеспечивают хорошую подачу смазки и ее равномерное распределение. Число твердых частиц должно быть небольшим, и они должны равномерно распределяться по объему металла.

Антифрикционные сплавы на оловянной или свинцовой основе называются баббитами. В настоящей работе исследуется оловянистый баббит Б83 (цифры после буквы указывают на сред-нее содержание олова).

Применение: лонжероны, стрингеры, обшивка самолетов.

Применение: барабаны и детали авиаколес, кронштейны, корпуса приборов.

Применение: диски и лопатки компрессора.

Применение: трубы, втулки, тяги прокладки, теплопроводящие детали электрооборудования.

Применение: вкладыши подшипников скольжения.

Зарисовки структур производятся на специальных бланках ка-рандашом с указанием структурных составляющих и общего увели-чения микроструктуры.

ТАБЛИЦА

№№ ПП	Марка сплава	Режим термической обработки	t°C	Механические свойства	Примечание
				НВ σв σ0,2 δ ψ
				кгс/мм² %
1.	Д16	Закалка 500°С, вода, естествен-ное старение 7 суток	20	105 47 32 11 30	___________
2.	АЛ2	Немодифициро-ванный	20	50 14 --- 3 ---	___________
3.	АЛ2	После модифи-цирования	20	55 18 7 8 ---	___________
4.	МЛ5	Закалка 415°С	20	65 25 8,5 9 15	___________
5.	ВТЗ-1	Гомогенизиру-ющий отжиг 870°С, охлажде-ние с печью до 650°С,выдержка2ч., охлаждение на воздухе	20 400	260- 100- 85- 10- 25- 340 120 110 16 40 --- 76 63 8 ---	___________
6.	ЛС59-1	Отжиг 600°С	20	42 15 40 44 ---	___________
7.	БР.010	Литье, т/о не подвергается	20	75- 22 18 3- 10- 110 10 14	___________
8.	Баббит Б83	Литье, т/о не подвергается	20	30 9 --- 6 ---	___________

Задание

1. 
   Изложить цель работы.
   
2. 
   Зарисовать микроструктуру шлифов различных групп, сопро-вождая зарисовки (карандашом) данными о фазовом составе иссле-дуемых сплавов, степени увеличения микроскопа, механических свойствах сплавов.
   
3. 
   Сформулируйте краткие выводы по работе.
   

Вопросы для самопроверки

1. 
   Привести характеристики латуни (разновидности, свойства, применение в авиации).
   
2. 
   Привести характеристики бронзы (разновидности, свойства, применение в авиации).
   
3. 
   Назовите типичные для авиационной техники марки магние-вых и титановых сплавов.
   
4. 
   Что такое модифицирование силумина и для чего оно приме-няется?
   
5. 
   Какую структуру должны иметь подшипниковые сплавы?
   
6. 
   Назовите химический состав баббита Б83 и укажите назна-чение Sb и Cu в этом сплаве.