Материаловедение_лабы

При скорости охлаждения v1 и больше в стали протекают два вида превращения: диффузионное при температуре ниже Аr1 и

бездиффузионное при температуре ниже Mн (температура начала образования структуры мартенсита).

При скорости охлаждения v кр (критическая скорость закалки) и более аустенит, не распадаясь, переохлаждается до температуры Mн и превращается в мартенсит.

Мартенсит имеет «игольчатое» строение и является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в α-железе (с той же концентрацией углерода, что и в исходном аустените). Мартенсит имеет тетрагональную решетку. Степень тетрагональности (отношение параметров решетки с/а) повышается с увеличением содержания углерода в стали.

Мартенсит – структура неустойчивая, обладающая высокой твердостью, которая повышается с увеличением содержания углерода и стали.

Основные особенности мартенситного превращения.

1. Превращение начинается при температуре Mн и протекает при охлаждении в интервале температур от Mн до Мк (Мк – температура конца мартенситного превращения). Температуры Mн и Мк зависят от химического состава стали. Влияние углерода на точки Mн и Мк в углеродистой стали показано на рис. 6.2.

t,°C

Мк

Мн

Рис. 6.2. Влияние содержания углерода на положение температур начала и конца мартенситного превращения

50

2.Превращение состоит в бездиффузионной перестройке решетки γ-железа в α-железо с образованием перенасыщенного углеродом альфа-твердого раствора.

3.Образование каждого элемента структуры происходит с взрывной скоростью, и для новых образований такой структуры нужно новое охлаждение.

4.Превращение идет не до конца, т.е. при температурах ниже

Мк сохраняется некоторое количество остаточного аустенита (рис. 6.3). Наличие его в закаленной стали объясняется объемными изменениями, протекающими при мартенситном превращении. Превращение аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема, поэтому небольшие участки переохлажденного аустенита, расположенные между мартенситными кристаллами, подвергаются всестороннему сжатию и остаются непревращенными. Количество остаточного аустенита зависит от химического состава стали. Оптимальный интервал закалочных температур углеродистой стали приведен на рис. 6.4.

Содержание мартенсита, %

Мн Мк

t,°C

Рис. 6.3. Кривая мартенситного	Рис. 6.4. Оптимальный интервал температу-
превращения	ры закалки до- и зазвтектоидных сталей:
	I – полная закалка; II – неполная закалка

Нагрев изделий под закалку производится в печах (пламенных или электрических) или в жидких средах (соляных ваннах). Время нагрева устанавливается в зависимости от сечения заготовки и вида нагревательного устройства. Наибольшую скорость нагрева

51

обеспечивают жидкие среды, наименьшую – электропечи. Продолжительность нагрева определяется по установленным нормативам. Например, для нагрева под закалку изделия из углеродистой стали диаметром 25 мм требуется 25 мин в пламенной печи и 10 мин в соляной ванне. Для высоколегированной стали продолжительность нагрева должна быть увеличена на 25…40%.

Кроме температуры и времени нагрева, необходимо правильно выбрать закалочную среду. В качестве закалочных или охлаждающих сред чаще всего применяются вода, масло или водные растворы различных компонентов. Выбор охлаждающей среды в основном определяется величиной критической скорости закалки стали и размером сечения изделия. Скорость охлаждения стальных образцов в зависимости от охлаждающей способности различных сред представлена на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Скорости охлаждения центров стальных образцов диаметром D в верхнем температурном интервале превращения vохл700−500 в зависимости от охлаж-

дающей способности различных сред и систем αэкв: 1 – сжатый воздух; 2 – масляная ванна; 3 – водные растворы различных сред; 4 – водная ванна; 5 – водовоздушная смесь; 6 – масляной душ; 7 – водный поток; 8 – душ водных растворов различных сред; 9 – водный душ

Определение критических температур стали методом пробных закалок. Для этого можно использовать доэвтектоидную

52

углеродистую или малолегированную рода 0,35…0,40%. Такая сталь имеет

тервал температур между точками AC1

сталь с содержанием углесравнительно большой ин-

и AC3 .

Метод пробных закалок позволяет судить о структуре стали при высоких температурах на основании анализа структуры и твердости закаленных образцов.

Известно, что при быстром охлаждении аустенит переходит в мартенсит, а все остальные структурные составляющие (феррит, перлит, цементит) остаются без изменения. Следовательно, анализируя структуру образцов после закалки, легко установить их структуру в нагретом состоянии. Например, если после закалки наблюдалась структура феррит и мартенсит, то это значит, что образец в нагретом состоянии имел ферритно-аустенитную структуру.

Для выполнения работы образцы стали необходимо подвергнуть закалке от различных температур, начиная с температуры, лежащей заведомо ниже нижней критической точки. Образцы,

нагретые до температуры ниже AC1 , имеют ферритно-перлит-

ную структуру, поэтому быстрое охлаждение в воде не приводит к изменению их структуры и твердости. Если температура нагрева

образцов будет выше AC1 , но ниже AC3 , то они будут иметь

ферритно-аустенитную структуру. При закалке в них образуется ферритно-мартенситная структура и значительно повышается твердость. Такая закалка называется неполной. Чем выше температура неполной закалки, тем больше в структуре закаленной стали мартенсита и тем выше ее твердость. При

закалке с температур, лежащих выше AC3 (полная закалка), полу-

чается мартенситная структура, имеющая максимальную твёрдость. При значительном превышении температуры AC3 на-

блюдается значительный рост аустенитного зерна, что приводит к образованию при закалке крупноигольчатого мартенсита, повышению хрупкости, увеличению количества остаточного аустенита.

Микроструктуры образцов стали 40, закаленных от различных температур, приведены на рис. 6.6.

53

а

б

в

г

Рис. 6.6. Микроструктура (×400) образцов стали 40 после закалки от темпера-

туры: а – 700°С, б – 750°С; в – 850°С; г – 950°С

6.3.Порядок выполнения работы

1.Получить по три образца стали марок 40 (или 40Х), У8.

2.Произвести закалку образцов от трех нижеперечисленных температур (по указанию преподавателя): 700, 710, 740, 750, 820, 850, 920, 950°С. Один образец оставить в исходном (незакаленном) состоянии. Закалку производить следующим образом: поместить образцы в электрическую печь, нагретую до заданной температуры, и после нагрева сделать выдержку в течение 15 – 20 мин; по окончании выдержки образец быстро охладить в воде. С целью разрушения паровой рубашки образец в процессе охлаждения следует интенсивно вращать.

3.Снять на наждачном круге обезуглероженный слой (около 0,5 мм) с торцевой поверхности образца, не имеющей клейма, зачистить оба торца на наждачной бумаге. При зачистке на наждачном круге образцы периодически охлаждать в воде во избежание отпуска.

54

4.Измерить твердость исходного и закаленного образцов на приборе Роквелла по шкале С (алмазным конусом).

5.На основании результатов измерения твердости построить график в координатах «твердость (ось ординат) – температура закалки (ось абсцисс)».

6.Пользуясь коллекцией микрошлифов, изучить микроструктуру закаленной стали при увеличении 600. Зарисовать микроструктуру после закалки от различных температур:

–температуры, лежащей ниже AC1 , до температуры, лежащей

винтервале критических точек AC3 ;

–оптимальной температуры;

–после закалки с перегревом.

Под каждым рисунком указать температуру закалки, структуру, реактив для травления, увеличение.

7. Полученные результаты определения твердости и микроструктуры образцов свести в табл. 6.1.

Т а б л и ц а 6.1

Твердость и микроструктура образцов после закалки от различных температур

	Температура за-	№ образца	Твердость НRСЭ	Микроструктура
	калки, °С

8. На основании полученных данных определить интервалы температур, в которых находятся критические температуры AC1 и

AC3 , и оптимальную температуру закалки изучаемой стали.

6.4.Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

2.Характеристика стали в исходном состоянии (марка, химический состав, твердость, микроструктура).

3.Таблица результатов определения твердости и исследования микроструктуры.

4.Кривая зависимости твердости от температуры закалки.

5.Интервалы температур, в которых находятся критические

температуры AC1 и AC3 .

55

6.Зарисовка микроструктур исследуемой стали, закаленной от различных температур.

7.Оптимальная температура закалки исследуемой марки стали.

8.Выводы по работе.

6.5.Вопросы для самопроверки

1.Какая термическая обработка называется закалкой стали?

2.В чем состоят основные особенности мартенситного превращения в стали?

3.Почему в структуре закаленной стали присутствует остаточный аустенит?

4.Какой закалке подвергают до- и заэвтектоидные стали?

5.В чем заключается сущность метода пробных закалок?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ОТПУСК ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ

7.1.Цель работы

1.Ознакомиться с практикой отпуска.

2.Определить влияние температуры отпуска на твердость закаленной стали.

3.Ознакомиться с характером разрушения закаленной стали после отпуска при различных температурах.

7.2.Теоретическое обоснование работы

Отпуск является заключительной операцией термической обработки закаленной стали, в результате которой сталь приобретает требуемые механические свойства. При отпуске также снижаются внутренние напряжения, возникающие при закалке, и стабилизируются размеры детали.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали ниже температуры AC1 в выдержке при заданной температуре и последую-

щем охлаждении с определенной скоростью. Температура отпуска устанавливается в зависимости от марки стали исходя из требуемых механических свойств.

56

Скорость охлаждения после отпуска оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений: чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные тепловые напряжения. В большинстве случаев охлаждение производится на воздухе. В некоторых случаях для легированных сталей, склонных к отпускной хрупкости второго рода (выражающейся в снижении показателя ударной вязкости при медленном охлаждении после высокого отпуска), охлаждение осуществляется в воде.

Структурные превращения при отпуске. Непосредственно после закалки сталь имеет структуру, состоящую из тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита. Такая структура является неравновесной, поэтому в закаленных изделиях с течением времени наблюдаются изменения размеров, связанные со структурными превращениями. Переход к более устойчивому структурному состоянию закаленной стали сопровождается распадом тетрагонального мартенсита и превращением остаточного аустенита.

Структура мартенсита имеет наибольший удельный объем, а аустенита – наименьший, поэтому превращения мартенсита сопровождаются уменьшением объема, а аустенита – увеличением. За превращениями при отпуске можно проследить по объемным изменениям (дилатометрическим методом).

При нагревании закаленной стали до температур 80…100°С заметных изменений в структуре не наблюдается. Дальнейшее повышение температуры приводит к структурным превращениям, протекающим в определенных температурных интервалах.

В углеродистых сталях при отпуске наблюдаются четыре превращения.

Первое – превращение тетрагонального мартенсита – протекает в интервале температур 80…200°С и сопровождается уменьшением объема. Это превращение заключается в выделении углерода из мартенсита (за счет возрастания подвижности атомов при повышении температуры). Выделившийся углерод образует с железом

ε -карбид, химический состав которого близок к Fe2C . При этом

кристаллы ε -карбида и мартенсита имеют общие кристаллографические плоскости (когерентную связь). При образовании ε -карбида происходит неравномерное обеднение пересыщенногоα -твердого раствора углеродом.

Вблизи карбидов мартенсит обеднен углеродом, в то время как отдельные его участки сохраняют исходный состав. Выделив-

57

шийся карбид имеет пластинчатую форму, причем толщина этих пластинок составляет всего несколько атомных слоев.

По мере выделения углерода решетка мартенсита становится менее искаженной, отношение параметров решетки с/а приближается к единице. Такой мартенсит называют мартенситом отпуска (отпущенным мартенситом). Он обладает высокой твердостью и износостойкостью, но в сравнении с мартенситом закалки представляет собой более стабильную структуру.

Второе – превращение остаточного аустенита – протекает в интервале температур 200…300°С и сопровождается увеличением объема вследствие образования отпущенного мартенсита. Сохранение в структуре закаленной стали аустенита связано с большими напряжениями сжатия, возникающими в результате превращения аустенита в мартенсит. При последующем отпуске напряжения снижаются, объем мартенсита уменьшается (в результате первого превращения) и аустенит получает возможность превращения в мартенсит с увеличением объема. Одновременно продолжается процесс распада тетрагонального мартенсита.

Третье – окончательный распад мартенсита и карбидное превращение – протекает в интервале температур 300…400°С и сопровождается уменьшением объема. В этом интервале из мартенсита выделяется весь избыточный углерод и он превращается в феррит, ε -карбид перестраивается в стабильный карбид железа

( Fe3C ) – цементит. При этом происходит обособление карбида,

т.е. отделение от решетки α-твердого раствора. Изменяются размеры и форма карбидных частиц, они укрупняются и приобретают сфероидальную (зернистую) форму. Полученная тонкодисперсная смесь феррита и цементита называется троститом отпуска. Эта структура менее твердая и прочная, но более пластичная, чем мартенсит отпуска, и имеет повышенную упругость.

Четвертое – коагуляция (укрупнение) частиц цементита. Структура стали, полученная в результате отпуска при 500…700°С представляет собой дисперсную смесь феррита с цементитом и называется сорбитом отпуска. Такая структура удачно сочетает хорошую прочность, пластичность и вязкость.

Отличие тростита и сорбита отпуска от структур того же наименования, но полученных при распаде аустенита, заключается в форме цементитных включений. После отпуска цементит имеет зернистую форму, а после закалки – пластинчатую.

58

Различие в форме частиц цементита в ферритно-цементитной смеси приводит к различию в свойствах стали. При равной твердости структура с цементитом зернистой формы обладает более высокой пластичностью и вязкостью.

Влияние отпуска на свойства стали. С повышением темпе-

ратуры отпуска прочность и твердость стали снижаются, а пластичность и вязкость повышаются.

При температурах отпуска, не превышающих 200…250°С, в углеродистых сталях наблюдается незначительное снижение твердости. Пластичность и вязкость при этом несколько возрастают.

Дальнейшее повышение температуры отпуска вызывает заметное снижение твердости, пределов прочности и текучести, а также повышение ударной вязкости, относительных удлинения и сужения. Максимальные значения относительного удлинения, относительного сужения и ударной вязкости стали получаются в результате отпуска при температурах около 650°С.

Виды и назначение отпуска. В зависимости от температуры отпуска и характера получающихся структур различают три вида отпуска: низкий (150 … 250°С), средний (300 … 450°С) и высокий

(500 … 680°С).

При низком получается структура мартенсита. Она необходима в сталях высокой прочности, в трущихся поверхностных слоях деталей машин и приборов, в мерительных и режущих инструментах, а также в инструментах для холодной обработки давлением, постоянных магнитах и др. Низкий отпуск производится для частичного снятия внутренних напряжений.

Средний обеспечивает получение структуры тростита. Среднему отпуску подвергаются изделия, от которых требуется повышенный предел упругости при несколько повышенных свойствах пластичности и вязкости. К таким изделиям относятся пружины, рессоры, а также штамповый инструмент.

Высокий производится с целью получения структуры сорбита и предназначен для изделий, работающих в условиях динамических и знакопеременных нагрузок, когда требуется обеспечить сочетание в стали достаточно высокой прочности, пластичности и вязкости.

Сталь, прошедшая закалку и высокий отпуск, обладает наиболее благоприятным сочетанием механических свойств, поэтому такая обработка носит название улучшения.

59