Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской революции

и ордена Трудовой Красного Знамени

Государственный технический университет им. Н.Э.Баумана














Домашнее задание по материаловедению


Вариант П-12




Студента группы СМ 9-51


Винникова М. Н.




















2005






















Самая распространенная группа легированных пружинных сталей – кремнистые, не содержащие карбидообразующих элементов. Причина широкого применения сталей этой группы – положительное влияние кремния на их механические и технологические своиства, а также пониженная стоимость этих сталей. Такое влияние кремния на механические своиства связано с его воздействием на состояние матричной фазы - -твердого раствора и карбидов, т.е. на те фазы, которые определяют структурное состояние пружинной стали, обработанной на оптимальные свойства. По имеющимся данным, кремний создает в твердом растворе направленные ионные связи и упорядочение, что должно повысить напряжение трения решетки и сопротивление движению дислокаций на стадии микропластической деформации. Вместе с тем кремний мало влияет на субструктуру и морфологию кристаллов мартенсита, что связано с относительно слабым его воздействием на температуру мартенситного превращения и на количество остаточного аустенита, сильно снижающего сопротивление малым пластическим деформациям. Для полной оценки влияния кремния на основные свойства пружинной стали необходимо также рассмотреть особенности структурных изменений, протекающих при закалке и отпуске.

В закаленной кремнистой пружинной стали (0,6% C; 1,5% Si) типичного состава мартенсит имеет внутренне двойникованную структуру. Даже в присутствии в стали хрома (0,57% C; 1,45% Si; 0,75% Mn и 0,73% Cr), несмотря на торможение кремнием двухфазного и однофазного распада, мартенсит все же претерпевает самоотпуск. Природа выделений, наблюдающихся в таком мартенсите, точно не установлена, но, по данным, они скорее всего соответствуют -карбиду.

Появление -карбида отмечается только после отпуска при 120 C или при 140 C (после предварительного старения), а цементита (наряду с -карбидом) – после отпуска при 370 - 450 С; при температуре выше 450 С присутствует только одна стабильная карбидная фаза – цементит.

Исследование старения мартенсита кремнистой пружинной стали (0,60% C и 1,50% Si) при 20 - 100 С показало, что начальные стадии этого процесса контролируются диффузией углерода (энергия активации 117,5 кДж/моль или 28 ккал/моль), но затем контролирующим фактором становится диффузия кремния в -карбиде, что и определяет постепенный рост энергии активации процесса до 218 кДж/моль (52 ккал/моль).

С повышением температуры отпуска наблюдается рост размеров частиц -карбида. После отпуска при 100 С, 4 ч они имеют длину 80 нм и ширину 20 нм , а после отпуска при 300 С, 1 ч их длина 150 нм и ширина 20 нм. Располагаются эти частицы карбидов вдоль и поперек двойников. Отпуск при 400 С увеличивает карбидные частицы (длина 300 – 400 нм) и ширина 50 нм , располагающиеся теперь только поперек двойников.

С повышением температуры изменяется и состав карбидов. Так, после отпуска при 100 С отношение Si/(Fe+Cr) = 0,9, при 200 С 0,44; при 300 С 0,32; при 400 С 0,26, а при 500 С, когда присутствует только цементит, кремния в составе карбидов практически нет. Эти результаты свидетельствуют о том, что кремний растворяется в -карбиде, но не растворим в цементите. Именно присутствие кремния в -карбиде повышает энергию активации первой стадии отпуска кремнистой стали и устойчивость этого карбида. Однако причины, по которым кремний повышает устойчивость -карбида, еще не установлены. Существенно, что кремний, увеличивая устойчивость -карбида, кроме того, стабилизирует субструктуру мартенсита. Этой стабилизацией -карбида и субструктуры можно объяснить известную устойчивость кремнистой стали к разупрочнению при отпуске. При наличии кремния стабилизируется также и остаточный аустенит и он может присутствовать в структуре отпущенной стали, когда достигнута оптимальная для получения максимального сопротивления малым пластическим деформациям дисперсность и распределение карбидов наряду с измельченной субструктурой матричной -фазы. Когда при отпуске произойдет распад остаточного аустенита, карбиды будут уже достаточно крупными, а структура -фазы – частично рекристаллизованной.


Хотя небольшие количества кремния и повышают предел упругости, но этот эффект не имеет большого технического значения, поскольку при введении 0,6% Si не улучшаются такие важные технологические характеристики стали, как закаливаемость и прокаливаемость и, кроме того, не повышаются прочностные свойства – сопротивление большим пластическим деформациям.

Помимо величины сопротивления малым пластическим деформациям, важно оценить влияние кремния и на другие прочностные свойства стали. Известно, что кремний увеличивает коэффициент упрочнения – резко повышает пределы пропорциональности, текучести и прочности, а также сопротивление разрушению, т.е. сопротивление умеренным и большим пластическим деформациям.


Высокое сопротивление кремнистой стали умеренным и большим пластическим деформациям имеет большое значение для пружин и рессор, так как оно определяет безопасность работы этих изделий при возможных перегрузках. В пружинных сталях, легированных кремнием, из-за замедления процессов разупрочнения при отпуске можно обеспечить сочетание высокой прочности при повышенной пластичности и вязкости.