Цементуемые стали — это низкоуглеродистые стали (0,1—0,25% С). В эту группу входят углеродистые (Сталь 20) и легированные стали с разным уровнем легирования: низколегированные (20Х),

Цементуемые стали — это низкоуглеродистые стали (0,1—0,25% С). В эту группу входят углеродистые (Сталь 20) и легированные стали с разным уровнем легирования: низколегированные (20Х), среднелегированные (18ГТ) и комплексно-легированные (12ХН3А).

Для деталей простой формы и небольших размеров используют углеродистые стали. Для деталей больших сечений — легированные. Причем чем больше размер детали, тем более легированную сталь следует назначать из соображений более высокой прокаливаемости.

Улучшаемые конструкционные стали содержат 0,3-0,5% углерода и различное количество легирующих эдементов.После отжига структура их состоит из феррита и перлита (перлита тем больше, чем больше углерода и легирующих элемснтов).Термообработка сталей состоит из закалки и высокотемпературного отпуска.

Стали для деталей выбирают по прокаливаемости, так как механические свойства разных марок сталей после улучшения в случае сквозной прокаливаемости практически одинаковы.

Чем больше в стали легирующих элементов, тем больше прока-ливаемость, следовательно, чем больше сечение детали, тем более легированную сталь нужно выбирать.

Углеродистые улучшаемые стали марок 35, 40, 45 имеют небольшой критический диаметр (15—25 мм), поэтому их применяют для деталее небольших сечений, работающих при невысоких нагрузках.

Хромистые стали (40Х и др.) получили широкое применение. При закалке в масле они прокаливаются в сечении до 30 мм. Хромистые стали применяют для машиностроительных деталей небольших сечений. Эти стали склонны к отпускной хрупкости 2-го рода, поэтому (см. ниже) после высокотемпературного отпуска охлаждение должно быть быстрым: в масле. Введение бора (0,002-0,005%) увеличивает прокаливаемость хромистых сталей.

Комплексное легирование хромом и марганцем дополнительно увеличивает прокаливаемость стали.

Высоким комплексом механических свойств обладают хро-мокремнемарганцовистые стали (хромансил). Стали хромансил (типа 30ХГС) после изотермической закалки (температура закалки 880°С, охлаждение в расплавленной соли с температурой 280-310 ⁰ С) имеют более высокие механические свойства, чем после обычной закалки. Хромансилы имеют небольшую прокаливаемость и склонны к обезуглероживанию при нагреве.

Наиболее высокой прокаливаемостью обладают стали, леги-ё ванные никелем. При содержании никеля около 3% (сталь 38ХН3ВА) критический диаметр превышает 100 мм. Никелевые стали применяют для изготовления деталей больших сечений. Кроме того, никель повышает вязкость стали. В сочетании с хромом никель npидает стали высокую прокаливаемость, хорошую закаливаемость.

Способы оценки состояния структуры.

В материаловедении применяют три способа оценки состояния структуры: качественно- описательный, полуколичественный (балловая оценка по сравнению со структурами стандартных шкал) и строго количественный способ оценки с помощью геометрических параметров микроскопического строения.

Первые два способа имеют субъективный характер и результаты наблюдателей часто сильно расходятся.

На современном уровне развития науки о материалах наиболее рациональной и эффективной является количественная оценка, поскольку этот способ позволяет применить математический аппарат и современную технику для выявления зависимостей между свойствами и структурой, которая формируется под влиянием химического состава и технологических режимов изготовления материала.

К свойствам составов, как и к свойствам сплавов, как правило, предъявляются количественные требования, которые указываются в стандартах или технических условиях на изготовление. В тех случаях когда эти свойства определяются не только соотношением компонентов, но и структурой очевидно, что и параметры структуры должны соответствовать определенным количественным нормам.

Система методов микроскопического анализа, позволяющих по количественным измерениям на плоскостной (двумерной) структуре рассчитать геометрические параметры пространственной структуры материалов называется стереометрической металлографией или стереолегией. Автор метода С.А. Салтыков в 1950 году сформулировал два основных принципа рациональной оценки:

1. оценка должна быть строго количественной, выраженной конкретными величинами геометрических параметров;

2. правильный выбор геометрических параметров в качестве критериев оценки.

Оптические методы изучения структуры.

Макроскопический анализ (макроанализ) заключается в изучении строения материала невооруженным глазом или при небольших увеличениях (до 30 раз). Это позволяет одновременно наблюдать большую поверхность изделия (в отличие от микроанализа, выполняемого при больших увеличениях). Макроанализ не позволяет определить всех особенностей строения. Его часто используют в качестве предварительного с целью выбрать те участки детали, которые следует подробно изучать с помощью более тонких методов.

Наиболее типичные задачи макроанализа:

1. изучение видов излома (различают вязкий, хрупкий и другие виды излома);

2. нарушения сплошности металла или УПС (наличие трещин, дефектов сварки, пористость и др.);

3. строения слитка; волокнистой структуры металла, что позволяет судить о технологии изготовления детали (сварная, штампованная, полученная обработкой резанием);

4. ликвации, т. е. химической неоднородности металла,

5. однородности распределения компонентов в объеме прессовки и др.

Как правило, при макроанализе пользуются качественно- описательными и полуколичественными методами оценки состояния структуры (сравнением с эталонами, со шкалами стандартов на материалы и др.).

Микроскопический анализ (микроанализ) выполняется при больших увеличениях на металломикроскопе (рис.35).

На нашем предприятии наряду с обычными металломикроскопами для изучения микроструктуры металлов, пиротехнических составов, порошковых и других материалов применяют аппаратуру для количественного анализа микроструктуры. Автоматический анализатор изображений (ААИ) состоит из микроскопа, видеокамеры, монитора и компьютера для автоматизированной обработки результатов первичных измерений.

В систему мироанализа входят приборы для подготовки образцов к исследованию: вакуумное устройство для пропитки пористых и хрупких образцов, устройство для тонкой разрезки и устройство для шлифовки и полировки. Аппаратура изготовлена швейцарской фирмой "Бюллер".Максимальное разрешение анализатора – 0.5 мкм.

Многие материалы, в том числе металлы, различные порошки и уплотненные пиротехнические составы непрозрачны, поэтому изучение структуры производится в отраженном свете. Исследования выполняются на специальном объекте — микрошлифе. Исследуемая поверхность микрошлифа должна иметь очень малую шероховатость поверхности — быть зеркальной, чтобы получалось правильное отражение. Для изготовления микрошлифа на объекте исследования должна быть обработана плоская поверхность. Ее подготавливают непосредственно на деталях малых размеров, а из больших деталей вырезается специальный образец. Зеркальной поверхности добиваются путем обработки абразивной шкуркой нескольких номеров, переходя от более грубой к более тонкой, и последующим полированием абразивными или алмазными пастами.

Для выявления структуры применяют травление шлифа растворами кислот или щелочей. При этом выявляется зерно стали, микроструктура некоторых порошков и составов. Это объясняется тем, что на поверхность шлифа зерна или частицы выходят разными кристаллографическими направлениями и вследствие анизотропии (неодинаковость свойств в разных направлениях — см. гл. 2) травятся на разную глубину (рис. 36). Выявляются разные фазы сплава, так как их свойства также неодинаковы и травление происходит на разную глубину (рис. 37).

В поле зрения микроскопа наиболее темными выглядят границы зерен, так как они травятся наиболее сильно из-за скопления несовершенств по границам, поэтому отражение от границ рассеивается, а не попадает в окуляр микроскопа и глаз наблюдателя.

Для выявления структуры УПС, содержащих полупрозрачные и прозрачные неметаллические компоненты, разработаны специальные методы контрастирования, позволившие изучать их структуру в отраженном свете: окрашивание перед прессованием, травление специальными реактивами и ряд других.

Оптические микроскопы позволяют получить увеличение до 1500 раз и изучать структурные составляющие размерами не менее 2 мкм, что связано с длиной волны света. Увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра (они выгравированы на них). Увеличение обозначают следующим образом: 200^х.

Большее увеличение достигается при использовании электронных микроскопов — свыше 100 тыс. раз, при этом разрешаются (т.е. можно различить) объекты (например, структурные составляющие) размером до 10⁷см.

ОРИЕНТИРОВАННЫЕ СТРУКТУРЫ

Как однофазные, так и многофазные структуры делят на изометрические и ориентированные. В изометрической структуре полностью отсутствует какая-либо предпочтительная направленность граничных поверхностей в пространстве, структура изотропна. В ориентированной структуре ее граничные поверхности частично или полностью параллельны некоторой линии или плоскости, называемые осью или плоскостью ориентации, структура анизотропна.

Рис, 23 Различные виды граничных поверхностей: α-изометрические; б-частично ориентированные; в- почти полностью ориентированны

На рис. 23, а показана изометрическая структура однофазного металла, в которой нет никакой предпочтительной ориентации граничных поверхностен. На рис. 23, б приведена структура поперечного шлифа листовой трансформаторной стали, граничные поверхности которой частично ориентированы параллельно плоскости листа, которая и является плоскостью ориентации. На рис. 23, в — волокнистые неметаллические включения в стали круглого профиля, поверхности которых почти полностью ориентированы параллельно осевой линии прокатанного прутка, которая и является осью ориентации.

Если отдельные группы граничных поверхностей имеют определенную ориентацию, но она не повторяется в других группах таких же

поверхностей, структура изометрична. Например, внутри каждого отдельно взятого зерна пластинчатого перлита граничные поверхности раздела фаз цементит — феррит взаимно параллельны, т. е. полностью ориентированы. Но эта ориентация не повторяется в других зернах перлита, так как плоскости ориентации граничных поверхностей зерен перлита ориентированы случайно. Поэтому в целом граничные поверхности в пластинчатом перлите изометричны.

Рис.24 Классификация граничных поверхностей по видам ориентации и форме микрочастиц: а- изометрическая, б-плоскостная;г-плоскостно-линейная.

Причиной образования ориентации чаще всего служит пластическая деформация сплава — прокатка, волочение и др. Более редко ориентация бывает следствием транскристаллизации, кристаллизации в магнитном поле и т. п. Наличие ориентации обусловливает анизотропию свойств и оказывает на них существенное влияние. Виды ориентации могут быть весьма многообразны, так как оси и плоскости ориентации не обязательно бывают прямолинейными и плоскими. Например, при кручении осью ориентации служит винтовая линия. Принимая во внимание, что в подавляющем большинстве случаев ориентация граничных поверхностей является следствием обработки давлением, можно принять простую классификацию

видов ориентации этих поверхностей. На рис. 24 показаны схемы типичных видов ориентации, наиболее часто встречающиеся в реальных структурах.

Изометрическая структура. Граничные поверхности изометрической структуры не имеют никакой преимущественной ориентации в пространстве. Поэтому, как бы ни была направлена плоскость шлифа, сечения микрочастиц однофазной полиэдрическом структуры будут равноосны.

В двуфазных структурах микрочастицы не обязательно должны быть равноосными — они могут иметь форму пластинок или игол, беспорядочно ориентированных в пространстве, как, например, в пластинчатых или стержневых неориентированных эвтектиках, в мартенсите и т. п.

Линейно ориентированная структура. При прокатке или волочении прутков примерно круглого профиля (или при равномерном растяжении) первоначально равновесная форма микрочастиц нарушается — они вытягиваются, их поверхности приобретают преимущественную ориентацию параллельно оси прокатки или волочения, которая и служит осью ориентации структуры. Для линейно ориентировочной структуры типична вытянутая параллельно оси ориентации форма сечении микрочастиц на шлифах, плоскость которых параллельна этой оси. Па шлифах, плоскость которых перпендикулярна к оси ориентации, форма сечений микрочастиц равноосна.

Ллоскостно ориентированная структура. При прокатке листового металла (а также при осадке, сжатии) первоначально равноосные микрочастицы сплющиваются и их поверхности приобретают преимущественную ориентацию параллельно плоскости листа (или осадки). Для шюскостно ориентированной структуры (см. рис. 24,в) типична вытянутая параллельно плоскости ориентации форма сечений микрочастиц на шлифах, плоскости которых перпендикулярны к плоскости ориентации (к плоскости листа) и равноосная форма сечений микрочастиц на шлифах, параллельных этой плоскости.

Плоскостно линейная ориентация. Такая ориентация наблюдается при наличии одновременно и линейной, и плоскостной ориентации граничных поверхностей. Она возникает при прокатке полосы или ленты, при вальцовке, когда микрочастицы сплющиваются и одновременно вытягиваются в направлении прокатки и в меньшей степени перпендикулярно ей (в направлении по ширине полосы или ленты). Поверхности микрочастиц приобретают преимущественную направленность и параллельно плоскости полосы или ленты, и параллельно осевой линии прокатки. Такая структура (см. рис. 24, г) имеет и ось и плоскость ориентации: шлифы, плоскости которых параллельны или перпендикулярны к оси и к плоскости ориентации сечения микрочастиц, имеют вытянутою форму, но степень вытянутости их различна.

Пространственная форма микрочастиц при разных видах ориентации существенно различна (см. рис. 24). Видно, что для правильного суждения о форме пространственных микрочастиц и виде ориентации единичный шлиф может оказаться недостаточным — потребуются два шлифа, плоскости которых должны быть определенным образом ориентированы относительно оси и плоскости ориентации.

Для количественной оценки разных видов ориентации используется понятие степени ориентации — линейной, плоскостной или плоскостно-линейной. Под степенью ориентации понимают отношение площади граничных поверхностей, ориентированных определенным образом, к площади всех граничных поверхностей, выраженное в процентах. Для изометрической структуры степень ориентации граничных поверхностей равна нулю, для полностью ориентированной структуры она близка к 100% (рис.23в).

Необходимо отметить, что не всегда наличие ориентации структурных элементов сопровождается ориентацией граничных поверхностей. Равноосные микрочастицы изометричны сами по себе, поэтому, как бы они ни были расположены в объеме сплава (например, в виде параллельных цепочек), их граничные поверхности изометричны. Между тем существуют сплавы, в которых наличие ориентации равноосных микрочастиц весьма существенно сказывается на свойствах (карбидная неоднородность быстрорежущих и высокохромистых сталей, хрупкие неметаллические включения в стальном прокате и т. п.). В этих случаях количественная оценка степени ориентации выполняется путем изучения однородности структуры в двух направлениях — параллельном и перпендикулярном к оси ориентации

Дата добавления: 2015-08-28