METODAAA_33__33__33_0001

согласуется с результатами определения ферритной фазы рентгено-структурным методом.

Инструментальные углеродистые и легированные стали

Впромышленности широко используются углеродистые стали: на их долю приходится до 90 % всего объёма производства сталей.

Стали доэвтектоидного состава (С<0,8%) после горячей механической обра­ ботки имеют удовлетворительную структуру и достаточно низкую твёрдость, до­ пускающие их дальнейшую обработку без термической обработки. В некоторых случаях такие стали подвергают нормализации - нагрев на 30...50 °С выше ^4сз с последующим охлаждением на спокойном воздухе. Такая обработка преследует цель перекристаллизации структуры: измельчается зерно, структура становится более однородной и, как следствие, улучшаются механические свойства.

Углеродистые стали эвтектоидные и заэвтектоидные после охлаждения с тем­ пературой конца деформации на спокойном воздухе имеют структуру пластинча­ того перлита: нагрев под горячую деформацию выше ACT приводит к полному растворению цементита и гомогенизации твёрдого раствора. Поэтому при охлаж­ дении после горячей механической обработки при перлитном превращении ввиду отсутствия в аустените центров кристаллизации цементита (в виде частичек) про­ исходит выделение цементита по плоскостям спайности кристаллов, куда оттес­ няется углерод в процессе фазовой перекристаллизации железа. Сталь с пластин­ чатой формой выделения цементита обладает повышенной твёрдостью и может быть умягчена за счёт изменения формы цементита путём последующего отжига.

Доэвтектоидная сталь У7, эвтектоидные стали У8, У9 очень чувствительны к перегреву (10... 15°), т.е. для них характерна крупнозернистая структура после го­ рячей деформации, поэтому для этих сталей температура конца горячей механи­ ческой обработки должна быть ближе K ^ 4 CI - 780...820 °С с последующим отжи­ гом или высоким отпуском.

Отжиг заэвтектоидных сталей на структуру зернистого перлита необходим ещё и с той точки зрения, чтобы получить наиболее равномерное распределение карбидной фазы перед окончательной термической обработкой.

Кроме того, имеется большая группа легированных сталей, содержащих в сво­ ём составе карбидообразующие элементы. Количество карбидов определяется со­ держанием в стали углерода и легирующих элементов.

Всостоянии высокой твёрдости количество карбидов в заэвтектоидных ста­ лях - 5... 12 %; в ледебуритных сталях - 25...30 %. Их объёмное количество мо­ жет достигать 32...35 %.

Вотожжённой стали количество карбидов (по массе) ещё больше: оно при этом значительнее, если карбиды бедны углеродом - типа МезС, МеуСз, МегзСб и меньше, если это карбид типа МеС.

Неоднородное распределение карбидов, неодинаковая форма расположения их

вструктуре, различие карбидов по величине называется карбидной неоднородно­ стью стали и может иметь вид карбидной сетки по границам зерна или карбидной полосчатости. Карбидная неоднородность (карбидная ликвация), представленная

223

в виде скоплений эвтектических карбидов, образуется из расплава при кристалли­ зации последних порций стали, обогащенных углеродом и легирующими элемен­ тами.

В литом металле карбиды выглядят как эвтектические участки или сетки. В процессе нагрева и горячей деформации при переделе слитков на заготовку и сор­ товой прокат карбидные скопления и сетка дробятся и превращаются в строчки, вытянутые вдоль направления деформации.

Наиболее сильно карбидная неоднородность проявляется в сталях ледебуритного класса и в меньшей степени - в заэвтектоидных сталях. Карбидную неодно­ родность контролируют в инструментальной легированной, быстрорежущей и подшипниковой сталях. Оценку проводят на продольных микрошлифах, прохо­ дящих через осевую плоскость прутков, после термической обработки, преду­ смотренной стандартом для данной марки стали.

Карбидная неоднородность может неблагоприятно влиять на

-прочность и вязкость стали, особенно в поперечном направлении волокна;

-сопротивление усталости и контактную выносливость;

-способность стали к полировке до высокого класса чистоты поверхности. При кристаллизации стали образуется довольно крупное зерно аустенита с по­

вышенным содержанием углерода и легирующих элементов. При охлаждении стальных слитков в интервале температур Аст...А\ карбиды выделяются из пере­ сыщенного аустенита как внутри, так и по границам зёрна. При последующей де­ формации зерно аустенита измельчается, а карбидная сетка может быть устранена при значительном обжатии. Однако она может образовываться вновь вследствие выделения карбидов при медленном охлаждении с температуры конца деформа­ ции. Для предотвращения выпадения карбидной сетки в заэвтектоидных сталях температура конца горячей деформации должна лежать ниже границы полной растворимости углерода в аустените - возможно ближе K^4CI - 800...840 °С.

Карбиды, имеющие высокую температуру перехода в твёрдый раствор, в ли­ той стали расположены в виде скоплений: мелкие и часто расположенные в при­ поверхностной зоне слитка скопления увеличиваются в объёме и по размеру кар­ бидных частиц к центру слитка.

В процессе деформации карбидная фаза приобретает ориентацию в направле­ нии вытяжки металла - строчечное расположение. В крупных сечениях (неболь­ шая степень деформации) карбидная полосчатость грубая, ясно различимая и из­ меняющаяся в поперечном сечении заготовки: в центре заготовки влияние дефор­ мации на карбидную фазу минимально и она сохраняет структуру, характерную для литого металла.

При большей степени деформации полосчатость уменьшается и в малых сече­ ниях (диаметр 15... 20 мм), распределение карбидной фазы становится равномер­ ным.

Карбидная сетка и карбидная полосчатость имеют разный механизм образова­ ния, однако, они могут появляться в стальных изделиях одновременно.

224

Методы оценки карбидной неоднородности в стали

Распределение карбидов в стали характеризуют карбидным баллом. Определя­ ется балл при сравнении изображения микрошлифа со стандартной шкалой.

По ГОСТ 1435-90 «Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегиро­ ванной стали» оценку микроструктуры металлопродукции (п. 4.8) проводят:

перлита - по шкале и приложению 2; цементной сетки - по шкале и приложению 3.

Для этой цели вырезают образцы из проката: с диаметром круга, стороной квадрата и шириной полосы до 25 мм - полное сечение;

от 26 до 40 мм - от круга и квадрата - половина сечения; от полосы - цен­ тральная 1/4 часть ширины на 1/2 толщины;

от 42 до 62 мм - от круга и квадрата из середины радиуса или середины поло­ вины стороны квадрата; от полосы - центральная 1/3 часть половины ширины на 1/2 половины толщины.

Образцы вырезают на расстоянии не менее 20 мм от торца прутка, полосы. Структура перлита контролируется в состоянии поставки после отжига или

высокого отпуска, а цементная сетка контролируется после закалки в воде. Шлифы готовят поперечные и травят 4 %-ным раствором азотной кислоты в

спирте. Оценку производят при увеличение х500.

Оценка структуры перлита. Шкала для оценки перлита включает 10 этало­ нов возможных микроструктур отожжённой или высокоотпущенной стали с раз­ ным содержанием зернистого и пластинчатого перлита (по площади).

Недопустимыми являются 1-й балл - с содержанием мелкопластинчатого сорбитообразного перлита от 80 до 100 % (возможно в случае недостаточной темпе­ ратуры или неравномерности нагрева по объёму садки) и 10-й балл - с содержа­ нием крупнопластинчатого перлита от 90 до 100 % (в случае превышения темпе­ ратуры отжига).

Оценка структуры цементита. Шкала для оценки цементной сетки включа­ ет два ряда эталонов возможных видов по 5 эталонов в каждом ряду:

1-й ряд - крупноячеистая сетка с размером сетки около 0,045 мм; 2-й ряд - мелкоячеистая сетка с размером сетки около 0,025 мм. Эталоны каждого ряда отличаются по замкнутости сетки.

Вметаллопродукции из стали марок У7, У7А, У8, У8А, У8Г, У8ГА отсутствие сетки обеспечивается химическим составом.

Встали марок У9, У9А, У10, У10А, У11, У11А, У12, У12А, У13, У13А цементитная сетка не допускается, остатки разорванной цементитной сетки не должны превышать 3 балла.

Впрутках для сердечников остатки разорванной цементитной сетки не долж­ ны превышать 2 балла.

По ГОСТ 5950-73 «Прутки и полосы из инструментальной легированной ста­ ли» проводят контроль микроструктуры горячекатаной, кованой и калиброванной стали в прутках диаметром или толщиной до 60 мм включительно на зернистый перлит, остатки карбидной сетки и карбидной неоднородностью.

225

Шкала № 1 - для оценки микроструктур отожжённой или высокотемператур­ ной стали. Микроструктуры баллов 6-10 - структуры зернистого перлита с посто­ янно возрастающим количеством пластинчатого перлита (по площади) до 10, 30, 50, 80 и 100 % соответственно. Оценка ведётся при увеличении 500 раз.

Порядок выполнения работы и обработка результатов

Целью исследования и контроля микроструктуры обычно является определе­ ние основных структурных составляющих стали (феррита, перлита, мартенсита карбидов и др.), их количества, морфологии и распределения. Для более быстрой оценки микроструктуры используют эталонные шкалы микроструктур, приведён­ ные в соответствующих стандартах и технических условиях с указанием реакти­ вов для травления и увеличения микроскопа. Эти шкалы позволяют оценить мик­ роструктуру образца в баллах в зависимости от содержания определённых струк­ турных составляющих, их размеров, формы, распределения и других признаков.

Металлографическим визуальным методом сравнения с эталонными шкалами определить содержание ферритной фазы в предложенной аустенитной нержа­ веющей стали.

Металлографическим методом сравнения изображения микрошлифа со стан­ дартной шкалой определить карбидную неоднородность (балл) в предложенной инструментальной легированной стали.

Оформление отчёта об исследовании

1. Охарактеризовать используемые методы для определения ферритной фазы, карбидной неоднородности.

2. Представить заключение по исследуемым образцам металла по качеству ме­ таллопродукции .

Контрольные вопросы

1. Дать характеристику аустенитным нержавеющим хромоникелевым сталям по назначению в зависимости от химического состава.

2.Охарактеризовать поведение углерода в аустенитных нержавеющих хромо­ никелевых сталях при термической обработке.

3.Какие методы предусмотрены микроанализом для контроля ферритной фазы

внержавеющих сталях и в чём они заключаются?

4.Дать характеристику структуры и свойств инструментальных углеродистых сталей после термических обработок.

5.Какие методы предусмотрены микроанализом для контроля карбидной не­ однородности и в чём они заключаются?

226

2.11. Учебно-исследовательская работа № 11. Определение прокаливаемости стали методом торцевой закалки

Цель работы

Данная работа предполагает:

-определение прокаливаемости углеродистой и легированной стали методом торцевой закалки;

-ознакомление и получение навыков работы с печным термическим оборудо­ ванием;

-получение навыков работы на контрольном и измерительном оборудовании;

-анализ влияния степени прокаливаемости на физико-механические свойства стали.

Основные положения

Понятие закаливаемости и прокаливаемости

Закаливаемость - это способность стали в результате закалки повышать твёр­ дость. В первую очередь закаливаемость стали определяется содержанием в ней углерода. Твердость тем выше, чем больше в мартенсите углерода. Влияние на за­ каливаемость легирующих элементов оказывается относительно небольшое.

Прокаливаемость - это способность стали получать закалённый слой, прости­ рающейся на ту или иную глубину в металл, имеющий мартенситную или троосомартенситную структуру и высокую твёрдость.

Прокаливаемость зависит от состава стали и определяется критической скоро­ стью охлаждения. Чем меньше критическая скорость закалки, тем прокаливае­ мость выше, т.е. тем выше устойчивость переохлаждённого аустенита.

Несквозная прокаливаемость объясняется тем, что при закалке деталь охлаж­ дается быстрее с поверхности и медленнее - в сердцевине. При закалке скорость охлаждения распределяется по сечению так, как это показано на рис. 2.11.1 пунк­ тирной линией; у поверхности скорость охлаждения максимальная, в центре - минимальная. Если критическая скорость закалки равна величине, показанной на этой схеме горизонтальной пунктирной линией, то деталь не прокаливается на­ сквозь, и глубина закалки будет равна заштрихованному слою (рис. 2.11.1, а).

Очевидно, с уменьшением критической скорости закалки увеличивается и глубина закаленного слоя, и если VK будет меньше скорости охлаждения в центре, то это сечение закалится насквозь. Если же сечение велико и скорость охлажде­ ния на поверхности меньше, то при данном способе закалки сталь не закалится даже на поверхности.

227

ff u

Рис. 2.11.1. Схемы, показывающие различную скорость охлаждения по сечению и в связи с этим несквозную прокаливаемость

Следовательно, чем меньше VK, тем глубже прокаливаемость. Прокаливае­ мость, как и VK, тесно связана со скоростью превращения аустенита в перлит и, следовательно, с расположением кривой начала превращения на С-диаграмме.

Предположим, что имеем цилиндрическую деталь. Кривые охлаждения цен­ тра, поверхности и сечения, расположенного на половине радиуса от поверхности, наложенные на С-диаграмму, показаны на рис. 2.11.1, б. Для данной стали при данных условиях охлаждения на поверхности получится мартенситная структура, в центре - перлитная, на расстоянии половины радиуса получится мартенсит + троостит.

Если С-кривая располагается правее, чем показано на рис. 2.11.1, б, вследствие большей устойчивости переохлажденного аустенита, то, очевидно, прокаливае­ мость увеличится.

Прокаливаемость прутков различного размера при закалке в воде и масле представлена на рис. 2.11.2.

Закалка 8 в&д?

Рис. 2.11.2. Прокаливаемость прутков различного размера при закалке в воде и масле (заштрихована незакаленная сердцевина)

228

Следовательно, чем медленнее происходит превращение аустенита в перлит, чем правее расположены линии на диаграмме изотермического распада аустенита, тем глубже прокаливаемость.

Легированные стали, вследствие более высокой устойчивости переохлаждён­ ного аустенита и соответственно меньшей критической скорости охлаждения, прокаливаются на значительно большую глубину, чем углеродистые. Сильно по­ вышают прокаливаемость марганец, хром, молибден и малые присадки бора. Прокаливаемость особенно возрастает при одновременном введении в сталь не­ скольких легирующих элементов. Кобальт, повышая критическую скорость за­ калки, одновременно уменьшает прокаливаемость стали.

Устойчивость переохлаждённого аустенита повышается, а критическая ско­ рость закалки уменьшается только при том условии, если легирующие элементы растворены в аустените. В случае если они не растворены в аустените и находятся в виде избыточных частиц (карбидов, карбонитридов, нитридов и других подоб­ ных фаз), то они не повышают устойчивость аустенита, а могут её уменьшить, так как карбиды служат готовыми зародышами, облегчающими распад аустенита. Карбиды (карбонитриды) титана, ниобия и ванадия при нормально принятом на­ греве под закалку обычно не растворяются в аустените и понижают прокаливае­ мость.

Основные факторы, влияющие на скорость перлитной кристаллизации:

состав аустенита. Все элементы, растворимые в аустените (за исключением кобальта), замедляют превращение;

нерастворенные частицы (карбиды, оксиды, интерметаллические соедине­ ния). Эти частицы ускоряют превращение, так как являются дополнительными центрами кристаллизации и увеличивают число центров при превращении аусте- нит-перлит;

неоднородный аустенит. Он быстрее превращается в перлит, так как ско­ рость превращения определяется в этом случае менее насыщенной частью твердо­ го раствора;

-размер зерна аустенита. Увеличение размера зерна замедляет превращение, так как центры кристаллизации образуются преимущественно по границам зерна, а чем крупнее зерно, тем, следовательно, меньше суммарная протяженность гра­ ниц, тем меньше значение число центров.

Таким образом, все перечисленные факторы, которые влияют на скорость ау- стнито-перлитного превращения, способствуют углублению прокаливаемости.

Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента

Прокаливаемость является важной характеристикой физического состояния металла и, соответственно, показателем его качества. Поэтому в комплекс (меха­ нических) испытаний металлов и сплавов, рекомендуемых ГОСТом, входят испы­ тания на прокаливаемость.

229

Существует несколько способов определения прокаливаемости, в основу ко­ торых положены: внешний вид излома, распределение твердости по сечению об­ разца, а также метод торцевой закалки, который является наиболее простым и на­ дежным.

EZS1 rzzzr

?5

Рис. 2.11.3. Внешний вид образца для торцевой закалки

Испытания на прокаливаемость методом торцевой закалки проводят с исполь­ зованием стандартных образцов и специальной установки согласно ГОСТ 565769. Внешний вид образца и его размеры представлены на рис. 2.11.3, схема уста­ новки - на рис. 2.11.4.

Рис. 2.11.4. Схема установки для тор­ цевой закалки: 1 - образец, 2 - корпус установки, 3 - сопло, 4 - шланг

При испытании образец нагревают до необходимой температуры в печи и под­ вергают закалке в масле или в воде. После охлаждения измеряют твердость по длине образца. По мере удаления от торца твердость будет уменьшаться, так как скорость охлаждения убывает. Результаты испытаний представляют в виде гра­ фической зависимости в координатах «твердость - расстояние от охлажденного торца». Степень прокаливаемости характеризуют числом прокаливаемости 1С, ко-

230

торое показывает расстояние от охлажденного торца до точки с полумартенситной твердостью (структуры, состоящей из 50 % мартенсита и 50 % троостита).

Прокаливаемость разных плавок одной и той же марки стали может изменять­ ся в некоторых пределах в зависимости от действительного химического состава и величины зерна, поэтому строят не кривую, а полосу прокаливаемости. Имея заранее построенную полосу прокаливаемости, применяя сталь данной марки, можно ожидать, что значения механических свойств будут находиться в пределах этой полосы. Пример построения полосы прокаливаемости представлен на рис. 2.11.5.

60

50

30

20

И)

U 60

ОС

ж50

£40

о

—4 30

:'-> 20

10

60

50

40

30

20

10

1	сталь 35	сталь 40

-i-i.

сталь 1 ОХ	12ХПЗЛ

4

^ _

	1 8 X I T					18X1 "М
						•

3

9

15 21

27 33 39 45 5 1 5 7

3

9

15 21 27 33 3 9 4 5 51 57

Расстояние от охлажденного горца, мм

Рис. 2.11.5. Полосы прокаливаемости сталей

Кроме числа прокаливаемости /с для практической оценки пользуются крити­ ческим диаметром DK. Критический диаметр - это максимальный диаметр цилин­ дрического прутка, который прокаливается в данном охладителе. Универсальной характеристикой, не зависящей от способа охлаждения, является идеальный кри­ тический диаметр Doo . Это диаметр максимального сечения, прокаливающегося насквозь в жидкости, отнимающей тепло с поверхности с бесконечно большой скоростью (рис. 2.11.6).

231

И; icaj n.iii.i й	к р н т и ч сс ки й д н а м е т р				I),		м м
5	10	20	50	1	0	0	180

К р н г и ч е с к и й д и а ме ер D , r , м м

Рис. 2.11.6. Номограмма для определения прокаливаемости: 1 - охлаждение на воздухе; 2 - охлаждение в масле; 3 - охлаждение в воде; 4 - идеальное охлаждение

Предположим, что известен критический диаметр DKp , реальный критический диаметр можно найти, опустив перпендикуляр с верхней шкалы абсцисс (шкала значений критического диаметра DKp) до шкалы, характеризующей идеальное ох­ лаждение, и на уровне пересечения перпендикуляра с этой линией проводим го­ ризонтальную прямую. Точки пересечения этой горизонтали с наклонными ли­ ниями, характеризующими охлаждение в воде, масле и на воздухе, определяют реальные критические диаметры при охлаждении в этих средах.

Порядок выполнения работы и обработка результатов

1. Для проведения торцевой закалки стандартные образцы из углеродистой и легированной стали нагреть в печи до необходимой температуры. Температуру закалки в зависимости от содержания углерода определить по справочнику. На­ грев образца производить в течение 30 минут. Закалку провести в воде и на воз­ духе.

2. Зачистить полоску шириной 2-4 мм по всей длине образца и замерить твер­ дость через каждые 2-3 мм, начиная от торца. Число промеров должно быть не менее 2-3 на каждый элемент длины.

Оформление отчета об исследовании

1.Краткое описание о проделанной работе.

2.Представить диаграмму изотермического распада аустенита в доэвтектоидной или завэвтектоидной стали. Построить график зависимости твердости полумартенситной зоны в зависимости от содержания углерода в стали.

232