Половинчастий чавун

Вивчаючи структури чавунів, необхідно звернути увагу на те, що у великих відливках можна одержати різну структуру по перетину. На поверхні відливок, де швидкість охолоджування велика, можна одержати структуру, відповідну білим чавунам, а в середині – сірим або високоміцним. Перехідний шар між білими і сірими чавунами може мати в структурі ледебурит, характерний для білого чавуну, і графіт, характерний для сірих чавунів. Такий чавун із структурою ледебурита і графіту називається половинчастим (рис. 9).

Відбіл на деяку глибину (12  30 мм) є слідством швидкого охолоджування поверхні, що виникає в результаті відливання чавуну в металеві форми (кокіль) або в піщану форму.

Висока твердість поверхні (НВ 400  500) обумовлює добру опірність проти зносу, особливо абразивного, тому з відбіленого чавуну виготовляють прокатні валки листових станів, колеса, кулі для млинів і т.п. В цьому випадку застосовують чавун з пониженим вмістом кремнію, який схильний до видбілювання. Його типовий склад: 2,8  3,6 % С; 0,5  0,8 % Si; 0,4  0,6 % Мn.

Різна швидкість охолоджування по перетину і утворення різних структур у відливках створює великі внутрішні напруги, які можуть привести до утворення тріщин. Для зняття напруг відливки піддають термічній обробці, тобто їх нагрівають до 500  550 °С і поволі охолоджують до кімнатної температури.

Порядок складання звіту

1. Коротко висловити мету роботи і теорію питання.

2. Накреслити діаграму стану залізовуглецевих сплавів (стабільну).

3. Вивчити мікроструктури чавунів різних типів на шліфах.

4. Схематично замалювати мікроструктури чавунів, вказати стрілками фази і структурні складові.

5. Привести приклади манкіровки, області вживання чавунів.

Питання для самоконтролю

1. Які сплави називаються чавунами?

2. Що таке ледебурит?

3. Які типи чавунів ви знаєте?

4. Як одержують білі чавуни?

5. Як діляться білі чавуни відповідно до діаграми стану?

6. Яка структура білих доевтектічних, заевтектичних і

евтектичних чавунів?

7. Як одержують сірі чавуни і як вони класифікуються?

8. Як одержують високоміцні чавуни і в чому їх особливості?

9. Як одержують ковкі чавуни і в чому особливість їх структури?

10. У чому відмінність по структурі між сірими, високоміцними і ковкими чавунами?

11. Як маркіруються високоміцні чавуни?

12. Як маркіруються сірі чавуни?

13. Як маркіруються ковкі чавуни?

14. Чим характеризується структура половинчастих чавунів?

15. Де застосовуються білі, сірі, ковкі і високоміцні чавуни?

Перелік посилань

1. Гуляев A. П. Металловедение. – М: Металлургия, 1986. – 544 с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В. П. - Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с.

3. Геллер Ю.А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. – М.: Металлургия. 1989. – 455 с.

4 Лившиц Б. Г. Металлография. – М.: Металлургия, 1990. - 236 с.

5. Константинов В.В. Материаловедение для гальваников. – М.:

Высш. шк. 1989. – 80 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

Термическая обработка углеродистой стали на мелкое зерно

Цель работы. Изучить влияние отжига и нормализации на величину зерна в стали. Освоить методику определения величины аустенитного зерна по ГОСТ 5639-82.

РОЛЬ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ В ПРОЦЕССАХ ФОРМИРОВАНИЯ ЗЕРНА В СТАЛЯХ

Стали, применяемые при изготовлении ответственных деталей машин и конструкций, должны иметь мелкозернистую структуру, так как в этом случае они имеют более высокий комплекс механических свойств по сравнение со сталями, имеющими крупнозернистую структуру.

Целью термической обработки является получение заданных механических свойств сплава путем изменения его внутренней структуры. В этом случае любая термическая обработка заключается прежде всего в том, что изделие нагревают до заданной температуры, делают выдержку при этой температуре и охлаждают с определенной скоростью. Очень часто изделия, нагретые до одной и той же температуры, но охлажденные с различными скоростями, приобретают совершенно разные механические свойства. Для получения мелкозернистой структуры стали подвергают перекристаллизации, для чего применяют отжиг или нормализацию.

Отжиг - термическая обработка стали, заключающаяся в нагреве выше критических температур A_c1 или А_с3, выдержке при данной температуре и затем медленном охлаждении вместе с печью. Нагрев выше Ac₃ обеспечивает полную аустенизацию структуры стали. Нагрев выше температуры А_с1, но ниже A_c3, приводит только к аустенизации перлитной составляющей в. стали.

Нормализация заключается в нагреве стали выше критических температур А_с3 или А_сm, выдержке и охлаждении на спокойном воздухе, что обеспечивает более быстрое охлаждение по сравнению с охлаждением в печи.

При изучении влияния режима термической обработки на размер зерна нужно обратить внимание на то, что по склонности к росту зерна аустенита при нагреве различают два типа сталей: наследственно мелкозернистые и наследственно - крупнозернистые. Первая характеризуется малой склонностью к росту зерна, вторая - повышенной.

Склонность к росту зерна аустенита при нагреве определяется условиями раскисления стали и ее составом. Стали, раскисленные алюминием, наследственно мелкозернистые, так как в них присутствуют дисперсные (очень мелкие) частицы тормозящие рост зерна. Рост зерна аустенита при нагреве задерживают также карбиды титана, ванадия, ниобия, вольфрама и молибдена, играющие роль барьеров для движения границ зерен. Марганец и фосфор способствуют росту зерна.

Изменение роста зерна при нагреве двух сталей, принципиально различающихся по кинетике роста зерна, показано на рис. I.

При изучении схемы роста зерна следует обратить внимание на то, что переход через критическую точку A_c1 сопровождается резким измельчением зерна. Это объясняется тем, что зерно еустенита образуется на границе ферритной и цементитной пластинок, в результате чего в каждой перлитной колонии зарождается множество зерен аустенита (рис.2).

При дальнейшем нагреве зерно аустенита в мелкозернистой стали не растет вплоть до 950 - 1000°С, после чего устраняются тормозящие рост факторы (карбиды, нитриды) и зерно начинает быстро расти. У крупнозернистой стали рост зерна начинается сразу после завершения перлито - аустенитного превращения.

При термообработке различают:

Начальное зерно - размер зерна аустенита в момент окончания перлито - аустенитного превращения;

наследственное (природное) зерно, характеризующее склонность аустенитных зерен к росту;

действительное зерно - размер зерна в стали, полученной в результате той или иной термообработки.

Размеры перлитных зерен, получающихся при медленном охлаждении стали из аустенитного состояния (отжиг стали) или при охлаждении на воздухе (нормализация), зависят от размеров зерен аустенита, из которых они образовались. Таким образом, чем крупнее зерно аустенита, тем большего размера перлитные зерна, которые из них образуются (рис.3).

Поэтому необходимым условием получения мелкого зерна в стали после отжига или нормализации является незначительное превышение критических температур A_c1 и А_с3 при нагреве (примерно на 30-50°), так как при дельнейшем повышении температуры зерно аустенита растет.

На технологические свойства стали влияет только действительный размер зерна. Если у двух сталей одной марки (одна наследственно крупнозернистая, другая наследственно мелкозернистая) при различных температурах термических обработок (отжиг или нормализация), будет получен одинаковый размер зерна, то свойства этих сталей будут одинаковыми. Если же размер зерна будет различный, то существенно будут различаться многие свойства стали.

Укрупнение действительного зерна сильно снижает ударную вязкость стали, особенно при низких температурах, а также предел текучести.

Существенного влияния на другие механические свойства, определяемые при испытании на растяжение и на твердость, размер - зерна не оказывает.

От склонности стали к росту зерна зависят режимы технологических процессов горячей деформации и термической обработки.

Истинный размер зерна и его величина, оцениваются баллами, путем сравнения зерен, видимых на шлифе под микроскопом при увеличении в 100 раз, с эталонными изображениями, приведенными в ГОСТ 5639-82. Между номером зерна (баллом) и количеством зерен, помещающихся на 1мм² шлифа, существует зависимость.

Стали, имеющие балл зерна от 1 до 5, относят к группе крупнозернистых, а с баллом от 6 до 15 к мелкозернистым.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Приготовить микрошлиф и зарисовать структуру стали Ст 3 в исходном состоянии. Определить величину зерна в баллах.

2. Произвести нагрев образца из этой стали до температуры А_с3+

+ 30 - 50°С в лабораторной электропечи, выдержать при температуре нагрева и охладить на спокойном воздухе.

3. Приготовить микрошлиф из термообработанного образца и зарисовать его структуру после нормализации. Определить величину зерна в баллах. Сравнить полученные результаты (балл зерна до и после нормализации)

4. Сформулировать выводы по работе.

ВОПРОСЫ ДДЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Что такое начальное зерно?

2. Какая сталь называется наследственно крупнозернистой?

3. Какая сталь называется наследственно мелкозернистой?

4. Какая термическая обработка называется отжигом?

5. Какая термическая обработка называется нормализацией?

6. Что такое природное (наследственное) зерно, действительное зерно?

7. При нагреве до каких температур произойдет полная перекристаллизация структуры стали?

8. При нагреве до каких температур происходит частичная перекристаллизация структуры стали?

9. Как сказывается укрупнение зерна на механические свойства стали?

10. Укажите температуру нагрева углеродистой эвтектоидной стали для получения мелкозернистой структуры.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

Тема: «Термическая обработка углеродистой стали»

Цель работы:изучить влияние термической обработки на механические свойства (твердость) углеродистой стали. Ознакомиться с принципами назначения режима термической обработки при проведении отжига, нормализации, закалки и отпуска углеродистой стали. Приобрести практические навыки проведения операций термической обработки.

Общие указания

Термической обработкой называют процесс обработки изделий из металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении.

Термическая обработка – самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. Термообработку применяют как промежуточную операцию для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием и др.) и как окончательную операцию для придания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия.

В настоящей лабораторной работе будут рассмотрены различные способы термической обработки углеродистых сталей.

Будучи самым распространенным конструкционным материалом, углеродная сталь очень редко применяется без термической обработки (ТО), поскольку даже в горячекатаном состоянии она часто имеет неудовлетворительную структуру, поэтому требует ТО для исправления структуры, снижения внутренних напряжений и повышения механических свойств – характеристик прочности, пластичности и особенно ударной вязкости. Таким образом, термическая обработка является одним из основных способов изменения структуры и свойств углеродной стали.

Каждая ТО заключается в том, что изделие из углеродной стали нагревают до заданной температуры, делают выдержку и охлаждают с определенной скоростью. Температуры нагрева изделий, получаемые структуры и соответствующие им свойства определяются с помощью диаграмм состояния Fe – С и изотермического превращения аустенита (рис. 1 и 2).

Рисунок 1. «Стальной» участок диаграммы Fe – C

Виды термической обработки