Определение твердости металлов по методам Бринелля и Роквелла

Основной  легирующий элемент таких сталей - вольфрам. Изделия, изготовленные  из высоколегированных инструментальных сталей с большим количеством  карбида, сохраняют высокие твердость, прочность и износостойкость  при температурах 600-620° С, которые появляются в режущей кромке при резании металлов с большой скоростью. Такие стали называют быстрорежущими.  

В состав быстрорежущих сталей входят 0,7-0,95% углерода, 3,1-4,4% хрома, 8,5-19% вольфрама, 1-2,5% ванадия. Маркируются быстрорежущие  стали следующим образом: Р9, Р18, Р12, где буква Р обозначает, что сталь быстрорежущая; цифры 9, 18, 12 показывают среднее содержание вольфрама, предусмотренное стандартом.

У быстрорежущих  сталей появляются высокие показатели механических свойств после сложной  термической обработки. Из таких  сталей изготовляют сверла, фрезы, долбяки, протяжки, развертки, пилы, напильники для твердых металлов и другой инструмент.  

К быстрорежующим относяться Р14Ф4, кобальтовые Р9К5, Р9КЮ, ке-бальто-ванадиевые Р10К5Ф5, Р18К5Ф2 и  вольфрамо-мо-либденовая Р6МЗ. Эти стали  обладают повышенной теплостойкостью, меньшей хрупкостью. Применяют их для изготовления режущих инструментов, предназначенных для обработки  жаропрочных и нержавеющих сталей с высокой вязкостью, титановых  сплавов и пластмасс.  

Стали со специальными свойствами (ГОСТ5632-72). В зависимости от основных свойств стали подразделяются на коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные и износостойкие. Такие стали содержат большое количество легирующих элементов (10-35%).  

Коррозионностойкие  нержавеющие стали обладают высокой  стойкостью против электрохимической  коррозии. По основным легирующим элементам - хрому и никелю- коррозионностойкие стали бывают хромистые и хромоникелевые. В качестве примера можно привести марки сталей: 12Х18Н9Т, 5Х18Н9, 15Х25Н19С, 45Х17Г13НЗЮ, 55Х18П4СТ и др.  

Коррозионностойкие  стали применяют для изготовления арматуры, коллекторов выхлопных  систем, деталей паровых и газовых  турбин, деталей химического машиностроения и т.д. Жаростойкие стали, обеспечивающие длительную стойкость деталей в  работе при небольших нагрузках, можно использовать при температурах выше 550° С. Такие стали устойчивы  против химического разрушения поверхности  в газовых средах.  

К жаростойким  сталям относятся стали марок 25Х23Н7С, 30X21HI2C, 15Х6С10, 12X13, 09Х14Н16Б, 15X28. Применяют  эти стали для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания, лопаток  компрессоров, деталей котельных  установок, газовых турбин, труб пароперегревателей и других деталей, работающих при  высоких температурах и небольшом  давлении.  

Жаропрочные стали, обеспечивающие длительную стойкость  деталей в работе, можно применять  при высоких температурах и больших  нагрузках; при этом они сохраняют  жаростойкость и высокие показатели механических свойств (прочности, пластичности). К жаропрочным сталям относятся  стали марок 12Х8ВФ, 10X11Н20ТЗР-, 09Х16Н4Б; их применяют для изготовления деталей  турбин, трубопроводов установок  сверхвысокого давления и других деталей.  

Износостойкая сталь (ГОСТ 2176-77) марки;110Т13Л, получившая наибольшее распространение, содержит в среднем 1,1% углерода и 13% марганца. Такая сталь очень трудно обрабатывается режущим- инструментом, поэтому ее используют для получения деталей, требующих незначительной механической обработки. Детали изготовляют методом литья, поэтому в маркировке стали на конце стоит буква Л. Из этой стали отливают стрелки железнодорожных путей, гусеницы бульдозеров, щеки каменных дробилок, зубья ковшей экскаваторов, черпаки и козырьки землечерпательных машин, драг и другие детали. 

Начертите диаграмму железоуглеродистых сплавов, укажите  их структуру и  практическое применение диаграммы.

      К железоуглеродистым сплавам относятся  сплавы железа с углеродом.

      Для того чтобы изготовить детали, машины и механизмы качественными и  обеспечить надежность и долговечность  их в работе, необходимо заранее  знать свойства используемых материалов. Например, для получения качественных отливок необходимо знать, при какой  температуре плавится сплав и  при какой он затвердевает, каковы его литейные свойства. Для проведения термообработки деталей надо знать, как изменяются свойства сплава при  нагревании и охлаждении в твердом  состоянии, каковы при этом будут  структура и свойства сплава. При  обработке давлением необходимо знать, при каких температурах тот  или иной сплав лучше подвергается обработке давлением, имеет наиболее высокую пластичность.

      Для определения температурных интервалов, видов термической обработки  и обработки давлением, температуры  плавления и заливки сплава в  литейные формы пользуются специальными графическими изображениями состояния  и строения сплавов в зависимости  от их состава и температуры нагревания. Такие графические изображения  называют диаграммами состояния  сплава.

       Построение  диаграммы состояния. Диаграммы  состояний обычно строят термическим методом (рис. 1). Сначала получают множество кривых охлаждения сплавов с различным содержанием составляющих элементов в зависимости от температуры и времени охлаждения. Кривые охлаждения строят аналогично построению кривых охлаждения для определения полиморфных превращений. По перегибам и остановкам на кривых охлаждения определяют критические температуры и критические точки сплава.

      Рис. 1. Схема построения диаграммы состояния  сплавов железа с углеродом:

      а — кривые охлаждения сплавов с  различным содержанием углерода,

      б —диаграмма

      Критической называется температура, при которой  происходит изменение в строении, а значит, и в свойствах металлов и сплавов. При критических температурах кривые охлаждения резко изменяют свой характер.

      Критическими  точками называются точки перегиба 1, 2, 3, 4 на кривых охлаждения (см. рис. 1). Однотипные критические точки (например, точки /) кривых охлаждения соединяют линией (линия АС). Комплекс линий, объединяющих критические точки сплавов, в зависимости от химического состава сплава и его температуры представляет собой диаграмму состояния. В табл. 1 приведены критические температуры критических точек 1, 2, 3, 4.

      Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. При кристаллизации железоуглеродистых сплавов образуются следующие структурные  составляющие: аустенит, феррит, цементит, перлит, ледебурит.

      Рис. 2. Диаграмма состояния сплавов  железа с углеродом: I...V1 — характерные сплавы

      Аустенит  — твердый раствор углерода в  у-железе. У сплавов с содержанием углерода до 2 % (стали) при температурах выше 723 °С структура представляет собой аустенит — на диаграмме (рис. 3) область AESG. Кристаллическая решетка аустенита - гранецентрированный куб. При нормальной температуре (18...24°С) аустенит в простых железоуглеродистых сплавах отсутствует и его увидеть нельзя. Аустенит обладает высокой пластичностью (б = 40...50 %) и низкой твердостью (НВ170...200), хорошо поддается горячей обработке давлением (ковке, штамповке и прокатке). На диаграмме аустенит обозначается буквой А.

      Феррит—твердый раствор углерода в а-железе. В феррите растворяется очень мало углерода (до 0,02 %). Техническое железо имеет структуру феррита (на диаграмме область GPQ). Кристаллическая решетка феррита— объемно-центрированный куб. Феррит обладает высокой пластичностью и низкой твердостью (6 = = 40...50 %; НВ80...120), хорошо поддается обработке давлением в холодном состоянии (волочению, штамповке). Чем больше феррита в сплавах, тем они мягче и пластичнее. На диаграмме феррит обозначается буквой Ф.

      Цементит  — самая твердая (НВ800) и хрупкая (6 = 0 °/о) составляющая железоуглеродистых сплавов — представляет собой  химическое соединение железа и углерода (карбид железа Fe₃C), содержащее 6,67 % углерода. Кристаллическая решетка цементита сложная. Особенность цементита состоит в том, что в присутствии значительного количества некоторых элементов, например кремния Si, цементит может вообще не образоваться или может распадаться с образованием углерода — графита и железа. Сплавы из чистого цементита на практике не применяют. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем они тверже и хрупче. На диаграмме цементит обозначается буквой Ц.

      Перлит  — механическая смесь феррита  и цементита, содержащая 0,83 % углерода. Перлит образуется при перекристаллизации (распаде) аустенита при температуре 723°С (на диаграмме линия Р/С). Распад аустенита на перлит называется эвтектоидным превращением, а перлит — звтектоидом. Перлит присутствует во всех железоуглеродистых сплавах при температуре ниже 723°С, обладает высокой прочностью (а_в до 800 МПа) и твердостью (НВ200). Чем мельче включения феррита и цементита в перлите, тем выше показатели его механических свойств. Поэтому чем больше перлита в сплаве, тем выше показатели механических свойств сплава. На диаграмме перлит обозначается буквой П.

      Ледебурит — механическая смесь аустенита  и цементита, образующаяся при кристаллизации жидкого сплава с содержанием углерода 4,3 % при постоянной температуре 1147°С (точка С на диаграмме). Ледебурит — единственный из всех железоуглеродистых сплавов, который кристаллизуется при постоянной температуре с образованием механической смеси. Такая кристаллизация называется эвтектической, а ледебурит — эвтектикой. Ледебурит обладает большой хрупкостью и высокой твердостью (НВ700), хорошими литейными свойствами. Ледебурит содержится во всех высокоуглеродистых сплавах, называемых белыми чугунами. На диаграмме ледебурит обозначается буквой Л.

      Практическое  использование диаграммы состояний. Применяемые в промышленности железоуглеродистые сплавы содержат не более 4,5 % углерода. Сплавы железа с углеродом до 2 % называются сталями, сплавы железа с углеродом  более 2 % — чугунами.

      Линия ACD— линия ликвидус — изображает температуру начала затвердевания сталей и чугунов. Выше этой температуры сплав полностью расплавляется, т. е. переходит в жидкое состояние (на диаграмме обозначается буквой Ж).

      Линия AECF— линия солидус — изображает температуру окончания затвердевания и начала плавления сталей и белых чугунов. Между линиями ликвидус и солидус сплавы находятся в жидко-твердом состоянии.

      Для практического использования диаграммы  проследим за структурными превращениями  характерных железоуглеродистых сплавов  при их охлаждении.

      Сплав / (сталь содержит углерода менее 0,83 %), Выше линии АС сплав находится  в жидком состоянии. С понижением температуры на линии АС начинают кристаллизоваться первые включения аустенита. При дальнейшем понижении температуры количество закристал-jk лизовавшегося аустенита увеличивается и при температуре, соответствующей линии АЕ, сталь полностью затвердевает. Ниже линии АЕ сталь охлаждается без превращений до температуры, соответствующей линии GS. При этой температуре из твердого аустенита начинают выделяться зерна феррита с очень малым содержанием углерода, поэтому в оставшемся аустените количество углерода увеличивается. Процесс протекает до линии PS.

       На линии  PS при температуре 723 °С из оставшегося аустенита образуется перлит. При нормальных температурах структура стали будет состоять из феррита и перлита. Сталь с содержанием углерода менее 0,83 % называют доэвтектоидной. Микроструктура феррита и до-эвтектоидной стали показана на рис. 3, а, б.

      Сплав // (сталь содержит углерода 0,83%)- Кристаллизация идет между линиями ликвидус АС и  солидус АЕ, аналогично кристаллизации сплава / (см. рис. 2). Закристаллизовавшийся аустенит охлаждается до точки 5. При температуре 723 ^СС, соответствующей точке S, происходит перекристаллизация аустенита с образованием перлита (эвтектоидное превращение). Сталь, имеющую структуру перлита, называют эвтектоидной (рис. 3, в). Строение эвтектоидной стали при нормальных температурах пластинчатое, т. е. структура стали состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита.

      Рис. 3. Микроструктуры типичных железоуглеродистых сплавов:

      а — феррит, б — доэвтектоидная сталь, в — эвтектоидная сталь, з  — заэвтектоидная сталь,

      д — доэвтектический белый чугун, е — эвтектический белый чугун, ж — заэвтектический белый  чугун; Ф — феррит, Л — перлит, Ц₁— первичный цементит, Ц_ІІ — вторичный цементит,

      Л—ледебурит

      Сплав /// (сталь содержит углерода более 0,83 %). Кристаллизация сплава /// аналогична кристаллизации сплава /. При температуре  ниже линии АЕ сталь имеет структуру  аустенита. На линии ES из аустенита по границам его зерен начинают выделяться включения с содержанием углерода 6,67 % — цементит. Поскольку цементит в этом случае образовался из твердого аустенита, т. е. при перекристаллизации стали, его называют вторичным цементитом — Ц_ІІ.

      Вторичный цементит выделяется из аустенита при  понижении температуры до 723 °С. При  температуре 723 °С происходит эвтектоидное превращение. Оставшийся аустенит, содержащий углерода 0,83 %, перекристаллизуется в перлит. При нормальных температурах структура стали с содержанием углерода более 0,83 % состоит из перлита и вторичного цементита. Вторичный цементит располагается в виде сетки по границам зерен перлита (рис. 3,г).

      Сплав IV (чугун содержит углерода более 2%). Выше линии АС сплав находится в жидком состоянии. С понижением температуры на линии АС начинают кристаллизоваться первые включения аустенита. При дальнейшем понижении температуры количество закристаллизовавшегося аустенита все время увеличивается. При достижении температуры 1147°С (на линии EF) оставшаяся часть жидкого расплава моментально кристаллизуется с образованием механической смеси аустенита и цементита, т. е. происходит эвтектическая кристаллизация с образованием эвтектики — ледебурита. Начиная с температуры 1147 до 723 °С, из аустенита выделяется вторичный цементит Ц_ІІ. При температуре 723 °С происходит эвтектоидное превращение — из аустенита образуется перлит.