Металловедение Контрольная работа (стр. 4 )

Явление охрупчивания при сегрегации примесных атомов и легирующих элементов на границах зерен объясняется снижением когезивной связи из-за того, что более крупные атомы увеличивают расстояния между кристаллографическими плоскостями решетки в граничной области и уменьшают работу образования межзеренной трещины. Из этого следует, что самыми сильными охрупчивающими элементами являются Sb, Sn.

Легирующие элементы усиливают ООХ еще и за счет повышения предела текучести металла зерен.

При температурах отпуска выше 600-6500С сегрегации примесей или полностью растворяются или их концентрация сильно уменьшается, а при ускоренном охлаждении с температуры отпуска они не успевают выделиться.

Как подавить охрупчивание при отпуске? (общие физические принципы закономерны ко всем сталям)

-снижение содержания вредных примесей в металле за счет металлургических технологий и подбора легирующих элементов (т. е. возможен специальный подбор элементов, вытесняющих с границ зерен вредные примеси (например, бор в і2 раза уменьшает количество Р, а никель наоборот усиливает влияние Р) или связывающих примеси в стойкие соединения;

-увеличение растворимости сегрегирующих примесей в матрице за счет подбора легирующих элементов, снижающих движущую силу сегрегации (например, известно, что никель и хром уменьшают растворимость Sb, Snв Ь-Fe, что усиливает сегрегацию примесей и повышает степень охрупчивания при ООХ).

-снижение температуры аустенитизации и времени выдержки с целью уменьшения аустенитного зерна;

-закалка из межкритического интервала температур снижает склонность к ООХ (вероятно за счет измельчения зеренной структуры);

-увеличение времени выдержки при высоком отпуске уменьшает степень охрупчивания (но не устраняет ее);

· реализация ВТМО - за счет измельчения аустенитного зерна и получения зубчатых границ зерен.

Наблюдаемое у сталей сильное снижение ударной вязкости при отпуске в интервале 400 500 °С обусловлено, согласно установленной тер­минологии, бейнитной хрупкостью. В отличие от обратимой отпускной хрупкости сталей, закаленных на мартенсит, бейнитное охрупчивание свя­зывают с изменением внутризеренной структуры, а именно: с превращени­ем остаточного аустенита в мартенсит или перлит и не связаны с процес­сами, происходящими на границе зерна. Повышение ударной вязкости и пластичности бейнитных сталей при низком отпуске обеспечивается за счет обогащения остаточного аустенита углеродом и повышения его ста­бильности.

6. Определить содержание углерода в стали если известно, что после отжига в её структуре 10 % перлита и 90 % феррита.

Зная, что углерод находится как в перлите, так и цементите, составим уравнение для перлита:

100% п – 0,8% С Х1==0,72% С

90% п – Х1

для цементита:

100% ц – 6,67% С Х2==0,67% С

10% ц – Х2

Хобщ.=Х1+ Х2= 0,72 + 0,67 = 1,39% С

7. При испытании на одноосное растяжение образец разрушился при деформации 0,5 % без образования шейки. Какие характеристики механических свойств можно определить, анализируя его диаграмму деформации?

Разрушение произошло хрупко.  Можно попытаться определить предел пропорциональности Рпц и предел упругости Руп.

8. В стали 4Х5ВС содержание фосфора 0,035 %. Как проявится его влияние при эксплуатации инструмента, если после термообработки механические характеристики не ухудшились?

Фосфор имеет сильную тенденцию сегрегировать на границах зерен, что приводит к отпускной хрупкости легированных сталей, особенно в марганцевых, хромистых, магниево-кремниевых, хромоникелевых и хромомарганцевых сталях. Фосфор, кроме того, увеличивает упрочняемость сталей и замедляет, как и кремний, распад мартенсита в сталях.

Повышенное содержание фосфора часто задают в низколегированных сталях для улучшения их механической обработки, особенно автоматической.

В низколегированных конструкционных сталях с содержанием углерода около 0,1 % фосфор повышает прочность и сопротивление атмосферной коррозии.

В аустенитных хромоникелевых сталях добавки фосфора способствуют повышению предела текучести. В сильных окислителях наличие фосфора в аустенитных нержавеющих сталях может приводить к их коррозии по границам зерен. Это обусловлено явлением сегрегации фосфора по границам зерен.

Вредное влияние фосфора в различных сталях проявляется по-разному:

а) в сравнительно мягкой низкоуглеродистой стали - в охрупчивании зоны сварки, а также в усилении хладноломкости. В этом случае физический предел текучести достигает уровня ут(Т) = узг после достаточного охлаждения. Хладноломкость из-за сегрегации фосфора отличается от «классической» тем, что излом является зернограничным в отличие от скола по объему зерна;

б) улучшаемые среднеуглеродистые стали средней прочности (типа конструкционной 38ХНЗМФА или штамповой 4ХНМ) охрупчиваются

после высокого отпуска (600-650°С), пока изделие медленно остывает

в интервале 550-450 °С (выступ с-образной диаграммы сегрегации). Эта отпускная хрупкость наиболее опасна в крупных изделиях (роторы турбин и генераторов, валки, штампы), сердцевину которых невозможно охладить быстро.

Поскольку необходимое напряжение азг достигается лишь после

пластической деформации (иногда довольно большой), работа разрушения (в частности, ударная вязкость) понижается по мере сегрегации фосфора постепенно. Постепенно смещается вверх и порог хладноломкости.

в) тепловая хрупкость наступает, когда сталь (типа 12X1М1Ф) работает годами при тех же температурах охрупчивания (в частности, трубы паропроводов электростанций и нефтеперегонной аппаратуры);

г) зернограничную хрупкость высокоуглеродистой и высокопрочной стали (для режущего инструмента, пружинной проволоки) вызывает сегрегация фосфора еще в аустените (предел текучести ут высокий, и,

если азг< ат, зернограничное разрушение произойдет без наступления

пластической деформации);

д) в агрессивных средах (газопроводы для транспортировки газа, содержащего сероводород; высокопрочные болты в промышленной атмосфере) фосфор на границах усиливает водородное охрупчивание.

Предельно необходимое содержание фосфора во всех этих случаях не достигнуто и неясно, существует ли вообще. Нормы же обоснованы лишь экономически как компромисс между сегодняшними возможностями выплавки и эффектом, полученным при эксплуатации.

9. Чем будут различаться режимы термообработки труб из теплостойкой стали 12Х1МФ, если сроки эксплуатации 1000 и 20000 часов?

Химический состав и свойства стали 12Х1МФ

Сталь 12Х1МФ относится к конструкционным теплоустойчивым сталям и находит широкое при изготовлении труб пароперегревателей, трубопроводов и коллекторных установок высокого давления; для изготовления поковок для паровых котлов и паропроводов; для изготовления деталей цилиндров газовых турбин; для изготовления различных деталей, работающих при температуре до 570-585 °С; для изготовления деталей трубопроводов и трубопроводной арматуры с закалкой на воздухе или в масло и отпуском на воздухе; для изготовления деталей типа донышек, воротниковых фланцев, штуцеров, колец, патрубков, тройников и деталей прямоугольной формы для энергооборудования и трубопроводов с абсолютным давлением свыше 3,9 МПа тепловых электростанций. необходимых для обработки металлов давлением.

Химический состав стали 12Х1МФ представлен в таблице 1.

Таблица 1 – Химический состав стали 12Х1МФ (% весовые)

C	Si	Mn	Ni, Cu	S	P	Cr	Mo	V
0,11-0,15	0,17-0,37	0,4-0,7	до 0,15	0,002- 0,015	0,002- 0,015	0,9-1,2	0,25-0,35	0,15-0,3

Критические точки данной стали, приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Температура критических точек стали 12Х1МФ,°С

Аc1	Аc3	Mн
740-780	880-900	430

На машиностроительных заводах сталь подвергается, нормализации и отпуску. Некоторые механические свойства после такой обработки приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Механически свойства стали 12Х1МФ при 20°С

Сечение, мм	Sв, МПа	S0.2, МПа	d, %	y, %	KCU, Дж/cм2	НВ	HRC
Нормализация 980-1000 °С и отпуск 740-760 °С.
D=57-168	460-590	400	22	58	98
Нормализация 950-1030 °С.
90-160	470-590	295	22	58	98

Механические свойства стали 12Х1МФ в зависимости от температуры отпуска представлены в таблице 4.

Таблица 4 – Механические свойства стали 12Х1МФ в зависимости от температуры испытаний

Температура испытаний, °C	Sв, МПа	S0.2, МПа	d, %	y, %	KCU, Дж/м2
Труба диаметром 273 мм с толщиной стенки 29 мм. Нормализация 980-1000 °С. Отпуск 740-760 °С.
20	305	490	23-33	71-74	127-157
100	285	450	27	73	235
200	255	450	23	71	235
300	225	480	19	66	181
400	215	430	24	73	147
450	205	390	25	80	-
480	225	410	28	78	127
500	205	345	25	81	132
540	225	355	28	83	137
600	175	215	25	87	235

Механические свойства при испытании на длительную прочность

Предел ползучести, МПа	Скорость позучести, %/ч	Температура испытания, °C	Предел длительной прочности, МПа	Длительность испытания, ч	Температура отпуска, °C
177	1/10000	520	196	10000	520
127	1/100000	520	157	100000	520
116	1/10000	560	137	10000	560
82	1/100000	560	106	100000	560
88	1/10000	580	118	10000	580
61	1/10000	580	88-98	100000	580
500	167	100000
500	135	200000
550	97	100000
550	82	200000
600	55	100000
600	45	200000

Чувствительность к охрупчиванию: