Тема 1.5 Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов

Практическая работа 3

Изучение структуры стали после термической обработки

Цель работы: ознакомиться с термической и химико-термической обработкой стали.

Содержание работы

1. Ознакомиться с устройствами и работой электрохимического оборудования для нагрева стали при термообработке,

2. Правильно назначить температуру нагрева при термообработке для до и заэвтектоидной углеродистой стали, используя диаграмму состояния Fе - Fе С

3. Зарисовать микроструктуру образцов стали закаленной и после отпуска,

4. Зарисовать диаграмму изменения твердости стали в зависимости от температуры отпуска.

5. Кратко описать структуру углеродистой стали, получившейся при закалке и структурного превращения при отпуске.

6. Зарисовать микроструктуру цементированного слоя и описать из чего она состоит.

Оборудование и материалы

Для проведения работы необходимы: электропечи для нагрева образцов; термопары с гальванометрами; бачки с охлаждающейся жидкостью; образцы (не менее 5 шт.) углеродистой стали в виде шайб диаметром 10 – 15мм; прибор для измерения твердости (прибор типа Роквелла); полировально-шлифовальная установка; реактивы для травления и паста ГОИ; клещи.

Нагреваемые образцы помещают в закрытый муфель 1 электропечи, где они равномерно нагреваются за счет тепла, получаемого от нагревательной обмотки 2. Регулирование температуры в печи производится реостатом 3. Для измерения температуры до 1300⁰С применяют термоэлектрические пирометры.

Термопара 1 представляет собой две проволоки 1 и 2, изготовленные из разных металлов или сплавов и спаянные с одного конца (горячий спай термопары).

Проволоки соединены медными проводами 4 и 5 с гальванометром II. Если горячий спай 3 подвергать нагреву, то на противоположных концах термопары (холодный спай) появится разность потенциалов, измеряемая в милливольтах. Эта разность потенциалов будет тем больше, чем больше разность температур между горячим и холодным спаями температуры. В гальванометре находится постоянный магнит 6, между полюсами которого находится подвижная катушка 7. К катушке прикреплена стрелка 8, которая может перемещаться по шкале с делением в милливольтах или градусах.

Рисунок 1 - Электропечь для закал­ки и отпуска стали

Рисунок 2 - Схема термоэлектри-ческого пиро­метра

В зависимости от изменяемой температуры в печи применяют различные термопары (табл. 1).

Таблица 1

Тип	Материал электродов		Максимальная измеряемая температура в ^0С при нагревании
	электроположи-тельная	электроотрица-тельная	кратковремен-ном	длитель-ном
ПП	Платинородный (90% Pt, 10% Rh)	Платина	1600	1300
ХА	Хромель (89% Ni, 10% Cu, 1% Fe)	Алюмель (95% Ni, 2% Al, 2% Mn, 1% Si)	1100	950
ХК	Хромель	Копель (43 – 44% Ni, 56 – 57% Fe)	800	600
ЖК	Железо	Копель	800	600
МК	Медь	Копель	500	350

При нагреве металла в атмосфере воздуха, особенно при отпуске, для определения температуры можно пользоваться цветами побежалости. Появление их связанно с интерференцией белого света в пленках окислов железа.

Таблица 2

Темпера-тура в ^0С	200	240	258	265	275	285	295	315	330 с свыше
Цвет побежа-лости	Светло-жел-тый	Соло-менно-жел-тый	Коричнево-жел-тый	Коричнево-крас-ный	Пурпурно-крас-ный	Фиолетовый	Васильково-синий	Светло-синий	Серый

В качестве охлаждающей жидкости при закалке углеродистой стали применяют воду комнатной температуры свыше 25 – 30⁰ С резко снижает скорость охлаждения, в связи с чем не может обеспечить закалку стали на мартенсит.

Закалка и отпуск стали

Закалка и отпуск служат для улучшения механических свойств стали. Операция закалки состоит в нагреве стали на 30 – 50⁰ С выше точки Ас₁ или Ас₃, выдержки при этой температуре и последующем охлаждении в различных средах (воде, масле, расплазленных солях).

При термической обработке стали возможно получение следующих структурных составляющих.

Аустенит (остаточный); в закаленной на мартенсит стали всегда остается некоторое количество остаточного аустенита. Он ничем не отличается от обычного аустенита, т.е. представляет собой твердый раствор углерода в γ – железе.

Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α – железе. Различают мартенсит закалки и мартенсит отпуска. Мартенсит закалки получается непосредственно после закалки и имеет тетрагональную кристаллическую решетку. При рассмотрении микроструктуры закаленной стали на темном фоне аустенита мартенсит виден в виде светлых игл.

Троостит – механическая смесь высокодисперсных частиц цементита и феррита. При закалке троостит является продуктом распада аустенита, а при отпуске – продуктом распада мартенсита. Частицы цементита в троостите неразличимы под обычным отечественным микроскопом даже при самом сильном увеличении (2000 раз).

Сорбит – механическая смесь цементита и феррита, но более грубого строения, чем троостит. Частицы цементита в сорбите крупнее, чем в троостите, и различимы под микроскопом при увеличении более 500 раз. Различают сорбит закалки и сорбит отпуска – зернистая.

Рисунок 3 - Сталь с 0,4% С после закалки в воде с 860° С. Мартенсит мелкоигольчатый. Травление 4%-ным раствором HNO3 в спирте X 450.

Рисунок 4 - Сталь с 0,4% С после за­калки с 1000° С в воде. Крупноиголь­чатый мартенсит.Травление 4%-ным раствором HNO3 в спирте. Х500.

Рисунок 5- Мартенсит и остаточный аустенит. Х1000

Рисунок 6 - Сталь с 0,4% С. Неполная закалка с 770° С в воде. Мартенсит и феррит. Травление 4%-ным раст­вором HN03 в спирте. Х450

В зависимости от температуры нагрева закалки бывает полная и неполная. Доэвтектоидные стали при закалке нагреваются до температуры выше линии GS, а заэвтектоидные – выше линии SK.

При быстром охлаждении стали аустенита полностью превращается в мартенсит рис. 3.

Повышение температуры нагрева приводит к укреплению зерна аустенита и к получению более крупноигольчатого мартенсита при закалке рис. 4.

В результате полной закалки наряду с мартенситом структура стали характеризуется некоторым количеством непревращенного аустенита. Количество остаточного аустенита заметно увеличивается при наличии в стали легирующего элемента, например, марганца рис. 5.

При неполной закалке сталь нагревают до температуры выше линии RSK. Структура неполностью закаленной углеродистой стали характеризуется светлыми зернами феррита и мартенситными участками игольчатого строения рис. 6. Сталь с такой структурой неоднородная и недостаточна тверда, вследствие наличия мягких ферритовых зерен. В производстве неполная закалка доэвтектоидной стали не допускается.

В заэвтектоидной стали неполная закалка, осуществляемая нагреванием до температуры, находящейся между Ас₁ и Ас₃ с последующим быстрым охлаждением, является нормальной термической обработкой и приводит к лучшим результатам, чем полная закалка. Присутствие в структуре, наряду с мартенситом, нерастворившихся зерен цементита дает более высокую твердость, чем при полной закалке. Более низкая температура нагрева исключает перегрев и значительные термические напряжения. На рис.7 приведена часть диаграммы железо – цементит с практически применяемыми температурами закалки до- и заэвтектоидных сталей.

Скорости охлаждения, получаемые при применении некоторых наиболее распространенных охлаждающих сред, приведены в табл. 2.

Измерение скорости охлаждения приводит к смещению температуры превращения аустенита.

На рис. 8 показано влияние скорости охлаждения на температуру распада аустенита в феррито-цементитовые смеси сорбита троостита (точка Ar^I) и бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит (точка Ar^II).

Чем больше скорость охлаждения, тем ниже температура распада аустенита.

При очень больших скоростях охлаждения температура превращения аустенита в мартенсит остается примерно на одном уровне. Скорость охлаждения, при которой почти весь аустенит распадается и в структуре стали появляются первые участки мартенсита,

Таблица 3

Закалочная среда	Скорость охлаждения в град/сек в интервале температур		Закалочная среда	Скорость охлаждения в град/сек в интервале температур
	650 – 550 ^0С	300 – 200 ^0С
				650 – 550 ^0С	300 – 200 ^0С
Вода при 18^0 С. « « 28^0 С « « 50^0 С « « 74^0 С 10%-ный раствор в воде при 18 ^0 С: едкого натра поваренной соли. соды серной кислоты	600 500 100 30 1200 1100 800 750	270 270 270 200 300 300 270 300	Дистиллированная вода Эмульсии масла в воде Мыльная вода Минеральное машинное масло Трансформаторное масло Сплав 75% олова и 25% кадмия	250 70 30 150 120 450	200 200 200 30 25 50

Называется нижней критической скоростью, а скорость, при которой аустенит не распадается, а превращается в мартенсит, называется верхней критической скоростью. При охлаждении стали со скоростью между верхней и нижней критической происходит частичный распад аустенита в ферито-цементитовую смесь и частичное превращение оставшегося аустенита в мартенсит. Структурными составляющими в этом случае являются светлые иглы мартенсита и темные участки троостита рис. 9. Троостит выпадает в первую очередь и, как правило, располагается по границам аустенитных зерен при более низкой температуре превращается в мартенсит. Троостит представляет собой механическую смесь дисперсных частиц феррита и цементита размером порядка 10^-6см.

Рисунок 7 - Часть диаграммы Fe-FезС. Пунктирная линия пока­зывает практически применяемые температуры закалки сталей

Рисунок 8 - Влияние скорости охлаждения на положение критических точек-Аг и темпе­ратуру мартенситного превра­щения

Характерной его особенностью является легкая травимость в темный, почти в черный цвет. При охлаждении со скоростью ниже критической происходит полный распад аустенита в феррито-цементитовую смесь, называемую сорбитом рис. 10 или перлитом.

Рисунок 9 - Мартенсит и троостит закал­ки.X 1000

Рисунок 10 - Сорбит закалки. Х1000

Детали тонкого сечения (5 – 10мм) подвергают во многих случаях изотермической закалке. При этом производят нагрев до температуры закалки в последующее быстрое охлаждение с длительной изотермической выдержкой в горячей среде (300 – 350⁰ С) в зависимости от требуемой твердости детали. Изотермическая закалка в ряде случаев позволяет избежать коробления и образования трещин. Изотермическая выдержка, как правило, пригодится в зоне игольчато-трооститного превращения с последующим охлаждением на воздухе.

При изотермической закалке происходит превращение промежуточного типа. Получается игольчатая структура: весьма дисперсная смесь феррита и цементита, напоминающая по внешнему виду мартенсит отпуска, называемая игольчатым трооститом.

Закаленная сталь находится в напряженном состоянии и обладает большой хрупкостью, что не дает возможности ее практического использования. Чтобы уменьшить хрупкость, ослабить напряжение, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь подвергают отпуску. Отпуск осуществляется путем нагрева, закаленной стали до температуры, не превышающей линии PSK с последующим охлаждением.

Рисунок 11- Мартенсит отпуска. х 500

Рисунок 12 – Троостит отпуска. х450

Рисунок 13 – Сорбит отпуска .х450

Рисунок 14 – влияние температуры отпуска на механические свойства стали, содержащей 0,45% С

При нагреве закаленной стали неустойчивая структура мартенсита и остаточного аустенита превращается в более устойчивую. Твердость стали падает.

Отпуск подразделяется на низкий, средний и высокий в зависимости от температуры нагрева.

При низком отпуске (нагрев до температуры 150 – 200⁰ С) происходит интенсивный распад мартенсита закалки и превращение его в мартенсит отпуска с выделением карбида, как самостоятельной фазы. Это сопровождается уменьшением твердости, объема и электросопротивления. Мартенсит отпуска темноигольчатый рис. 11.

При среднем (нагрев в пределах 300 – 400⁰ С) и высоком (500 – 600⁰ С) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состоянии троостита рис. 12 и сорбита рис. 13. Влияние температуры отпуска на механические свойства закаленной стали, содержащей 0,45% С, приведены на диаграмме рис. 14.