Материаловедение

Поэтому для получения твердости НRC 50 закаленную сталь 45 подвергают низкому отпуску при температуре 180-230°С.
Низкий отпуск, незначительно снижая твердость поверхностно-закаленного изделия, существенно повышает сопротивление стали хрупкому разрушению.
В результате проведенной термической обработки: закалки и последующего низкотемпературного отпуска сталь 45 приобретает твердость необходимую твердость НRC 50
Сталь после термообработки будет иметь мартенситное строение, с высокой твердостью и прочностью, но низкой пластичностью.
Механические свойства стали 45, в зависимости от температуры отпуска представлены в таблице
Температура отпуска, 0С σ0,2 МПа σв МПа δ, % НВ Ψ, % КСU, Дж/м2
150-230 1560 1610 8 500 35 29
600-700 720 860 14 265 60 147
ВОПРОС 4
Назначьте нержавеющую сталь для работы в слабоагрессивных средах (водные растворы солей и др.). Приведите химический состав стали, необходимую термическую обработку и получаемую структуру. Объясните физическую природу коррозионной устойчивости стали и роль каждого легирующего элемента

Для деталей, работающих в слабоагрессивных средах (водопроводная вода, водные растворы солей и т.д.), выбрана сталь 30Х13
Сталь 30Х13 коррозионно-стойкая, жаропрочная
Химический состав стали 30Х13, в %, по ГОСТ 5632-72
C Si Mn Ni Ti S P Сr Cu
0.26-0,35 ≤0,8 ≤0,8 ≤ 0.6 0,2 ≤0,025 до≤ 0,03 12-14 ≤0,3

Сталь 30Х13, содержит 13% хрома, относится к мартенситному классу, жаропрочная, нержавеющая и хромистая, используется для изделий, которые подвергаются влиянию слабоагрессивных сред.
Сталь 30Х13 применяется также и как жаропрочный материал при температурах до 5500С и как жаростойкий до 7000С.
Углерод во многом определяет твердость и прочность материала, а также степень свариваемости. В стали 30Х13 концентрация углерода может варьировать в пределе от 0,26 до 0,35%.
Углерод активный компонент, связывая хром в карбиды, он обедняет твердый раствор, тем самым понижая коррозионную стойкость нержавеющей стали.
Хром считается основным легирующим элементом. В состав сплава добавляется около 12-14% этого химического вещества. Именно хром определяет жаропрочность и коррозионную стойкость.
Также устойчивость к коррозии объясняется наличием на стали очень плотной защитной пленки. Наивысшая степень устойчивости стали 30Х13 к коррозии достигается за счет термической обработки.
Все сплавы железа с хромом после кристаллизации имеют структуру α – твердого раствора. Хром сужает и дает закрытую область γ – твердых растворов. Предельное содержание хрома, при котором существует еще γ – твердый раствор, равно 13%.
С углеродом хром образует карбиды Cr7C3 и Cr23C6. Кроме этих карбидов существуют карбиды, в которых часть атомов хрома замещена атомами железа
При медленном охлаждении сплавов из α – твердого раствора выделяется хрупкая немагнитная σ – фаза.
Основой этой фазы является интерметаллид FeCr2.
Хром повышает критические точки АС1 и АС3, что требует повышения температуры нагрева под закалку, отжиг и нормализацию, уменьшает критическую скорость охлаждения, способствует росту зерна при нагреве. Распределение хрома между карбидами и твердым раствором влияет на прокаливаемость.
Термообработка стали в зависимости от необходимости может быть смягчающей, т.е. отжиг или упрочняющей закалка + отпуск.
Для стали 30Х13 обычно применяют смягчающий отжиг при 750-800 °С с охлаждением в печи до 500 °С.
Отжиг проводится либо для устранения хрупкости, либо для снятия наклепа, либо для стабилизации химического состава и устранения склонности стали к межкристаллитной коррозии.
Для хромистых сталей мартенситного класса применяют упрочняющую термообработку: закалка + отпуск.
Температура критических точек материала 30Х13. Ac1= 8200С , Ac3(Acm) = 8600С , Ar1 = 6600С; Mn-2400С
Наличие в стали довольно большого содержания хрома 13%, имеющего большое сродство к углероду, приводит к необходимости поднимать (в сравнении с углеродистыми сталями) температуру и увеличивать время нагрева под закалку, чтобы растворить хромсодержащие карбиды и перевести хром в твердый раствор.
Присутствие хрома в аустените стабилизирует его, что дает возможность проводить закалку не только в масле, но и на воздухе.
Кроме того повышенное содержание углерода до 0,3%, требует повышения температуры закалки до 975-1050оС, для более полного растворения карбидов хрома.
Превращения и микроструктура стали 30Х13
1. При нагреве отожженной стали 30Х13 полиморфное альфа-гамма превращение в ней происходит в интервале температур от 820 °С (Ас1) до 950 °С (Ас3). Температура точки Аr1 составляет 660°С.
2. При изотермической выдержке или медленном охлаждении в интервале 800-550 °С аустенит распадается феррито-карбидную смесь. Эта феррито-карбидная смесь состоит из высокохромистого феррита и карбида типа Cr23C6.
3. При быстром охлаждении стали 30Х13 в ней происходит мартенситное превращение. Температура начала мартенситного превращения - 240 °С.
4 С повышением температуры отпуска происходит значительное снижение прочности с увеличением пластичности, а также снижение коррозионной стойкости.
В закаленном состоянии микроструктура состоит из мартенсита и карбидов и незначительного количества остаточного аустенита.
Для хромистых сталей мартенситного класса охлаждение в любом случае дает мартенситную структуру.
Наибольшая твердость достигается после закалки.
В этом состоянии сталь обладает наивысшей коррозионной стойкостью, т.к. Cr находится в твердом растворе.
Если требуется сохранить твердость и коррозионную стойкость, то отпуск стали проводят при температурах 250-350º С.
А если требуется повышенная вязкость, то проводят высокий отпуск (650º С).
Отпуск закаленной стали обеих марок приводит к распаду мартенсита на ферритно-карбидную смесь и к снижению твердости. Однако в интервале температур отпуска 450-550 °С наблюдается эффект вторичной твердости, связанный с выделением дисперсных карбидов.
Твердость после термообработки стали 30Х13 - HRC 48
Нержавеющая сталь 30Х13 применяется для деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам, изделий, подвергающихся действию слабоагрессивных сред (атмосферных осадков, водных растворов солей органических кислот при комнатной температуре)..
Механические свойства стали 30Х13в зависимости от температуры отпуска
tотп. °С σ0,2, МПа σв, МПа δ5, % Ψ, % KCU, Дж/см2
300 540 900 11 53 20
400 560 860 13 54 39
500 440 690 18 70 39
600 490 670 17 74 54







ВОПРОС 5
В качестве материала для ответственных подшипников скольжения выбран сплав БрС30. Приведите его химический состав и определите к какой группе он относится по назначению. Укажите основные свойства и требования, предъявляемые к сплавам этой группы.

БрС30 - бронза безоловянная литейная
Химический состав бронзы БрС30
Fe Si Ni P Cu As Pb Zn Sb Sn
до0,25 до 0,02 до 0,5 до 0,1 68-73 0 до,1 27-31 0 до,1 до0,3 до 0,1

Свинцовая бронза Бр.С30, является высококачественным антифрикционным мате¬риалом и служит для изготовления вкладышей подшип¬ников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных удельных нагрузках, знакопеременных нагрузках и температурах нагрева, когда обыкновенные баббиты непригодны.
БрС30 леги¬руют никелем и оловом для повышения механических и коррозионных свойств.
Свинцовая бронза - это двухкомпонентный сплав системы Cu - Pb.
Характерной особенностью затвердевания сплавов данной системы является наличие монотектической реакции: процесс кристаллизации сопровождается расслоением жидкости на два слоя: жидкость, богатая