- •Лабораторные работы по курсу «Материаловедение»
- •Анализ кристаллического строения
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Испытание материалов на твердость Цель работы
- •Приборы, материалы и инструмент
- •Краткие теоретические сведения
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Испытание образцов на растяжение Цель работы
- •Приборы, материалы и инструмент
- •Краткие теоретические сведения
- •Задание 1
- •Порядок выполнения работы 1
- •Задание 2
- •Порядок выполнения работы 2
- •Контрольные вопросы
- •Определение ударной вязкости материала Цель работы
- •Приборы, материалы и инструмент
- •Краткие теоретические сведения
- •Задание
- •Порядок выполнения работы 1
- •Порядок выполнения работы 2
- •Контрольные вопросы
- •Фрактографический анализ разрушения металлических материалов Цель работы
- •Приборы, материалы и инструмент
- •Краткие теоретические сведения
- •Изломы, полученные при однократных видах нагружения
- •Изломы, полученные при многократных (циклических) видах нагружения.
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Влияние холодной пластической деформации и температуры рекристаллизации на структуру и свойства металлов
- •3.2. Влияние температуры рекристаллизации на структуру и свойства холоднодеформированных металлов
- •4. Порядок выполнения работы
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •Термический анализ сплавов
- •3.2. Построение диаграмм состояния
- •3.3. Анализ диаграмм состояния
- •Сущность термического анализа
- •3.6 Определение температур кристаллизации Рb, Sb и сплавов Рb-Sb
- •4. Порядок выполнения работы
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •Макроскопический анализ (макроанализ) структуры металлических материалов Цель работы
- •Приборы, материалы и инструмент
- •Краткие теоретические сведения
- •Задание
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Исследование структуры углеродистых сталей в равновесном состоянии методом микроанализа Цель работы
- •Приборы, материалы и инструмент
- •Краткие теоретические сведения
- •Зависимость механических свойств стали от содержания углерода
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Исследование структуры углеродистых чугунов методом микроанализа Цель работы
- •Приборы, материалы и инструменты
- •Краткие теоретические сведения
- •Влияние скорости охлаждения
- •Задание
- •Контрольные вопросы
- •Закалка углеродистых сталей
- •1. Цель работы
- •2. Приборы, материалы, учебные пособия
- •3. Краткие теоретические сведения
- •4. Порядок выполнения работы
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •Отпуск углеродистой стали Цель работы
- •Приборы, материалы и инструмент
- •Краткие теоретические сведения
- •Порядок выполнения задания 1
- •Порядок выполнения задания 2
- •Контрольные вопросы
- •Отжиг и инормализация стали
- •1. Цель работы
- •2. Приборы, материалы, учебные пособия
- •3. Превращение при отжиге
- •4. Порядок выполнения работы
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы
- •Химико-термическая обработка стали
- •1. Цель работы
- •2. Приборы, материалы, учебные пособия
- •3. Химико-термическая обработка стали
- •4. Содержание отчета
- •5. Контрольные вопросы
- •Влияние легирующих элементов на прокаливаемость стали, определенную методом торцевой закалки
- •1. Цель работы
- •2. Приборы, материалы и инструмент
- •3. Краткие теоретические сведения
- •4. Задание
- •5. Контрольные вопросы
- •Классификация, маркировка и применение конструкционных материалов
- •1. Цель и задачи работы
- •2. Указания к самостоятельной работе
- •3. Классификация материалов
- •4. Способы маркировки металлических материалов
- •5. Углеродистые стали
- •5.1. Конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества общего назначения
- •5.2. Качественные конструкционные углеродистые стали для деталей машин
- •5.3. Инструментальные углеродистые стали
- •6. Маркировка легированных сталей
- •7. Особые способы маркировки сталей
- •7.1. Маркировка сталей для отливок
- •7.2. Маркировка автоматных сталей
- •7.3. Стали для подшипников
- •7.4. Маркировка быстрорежущих сталей
- •7.5. Маркировка строительных сталей
- •7.6. Магнитные стали
- •7.7. Стали специальных способов выплавки
- •7.8. Нестандартные легированные стали
- •8. Чугуны
- •9. Порошковые материалы
- •10. Медь и сплавы на основе меди
- •10.1. Латуни
- •10.2. Бронзы
- •11. Алюминий и сплавы на основе алюминия
- •12. Магний и сплавы на основе магния
- •13. Титан и сплавы на основе титана
- •14. Содержание отчета
- •15. Контрольные вопросы
- •Библиографический список
Задание
Изучить основные виды термической обработки углеродистой стали и получаемые при этом структуры.
Определить температуру нагрева исследуемой стали.
Провести охлаждение образцов с различной скоростью, используя различные виды термической обработки и среды охлаждения: отжиг (охлаждение с печью), нормализацию (охлаждение на воздухе), закалку в масле и воде. Скорость охлаждения следует определять по таблице 1.
Определить твердость стали в образцах, охлажденных с различной скоростью.
Результаты экспериментов представить в виде протокола испытания (табл. 2). Полученную микроструктуру стали следует определять по атласу микроструктур.
Построить график зависимости твердости стали (HRC) от скорости охлаждения.
Сделать вывод о влиянии скорости охлаждения на структуру и твердость углеродистой стали.
Написать отчет о проведенном исследовании в соответствии с п.п. 2-7.
Таблица 2 – Протокол испытаний
Марка стали |
Содержание углерода, % |
Вид термической обработки |
Скорость охлаждения, С/с |
Твердость, HRC |
Микроструктура стали |
|
|
|
|
|
|
Контрольные вопросы
Какие процессы происходят при распаде аустенита на феррито-цементитную смесь?
Назовите и охарактеризуйте основные виды термической обработки углеродистой стали.
Какие технологические параметры определяют вид термической обработки?
Как изменяется межпластинчатое расстояние и твердость стали с повышением скорости охлаждения? Почему?
Каковы цели отжига и закалки?
6. Какова структура и твердость углеродистой стали после закалки в масле и в воде?
7. Как выбирать температуру нагрева углеродистой стали при отжиге, нормализации и закалке?
8. Что такое мартенсит?
Лабораторная работа №4 (№13)
Закалка углеродистых сталей
1. Цель работы
Освоить методику выбора режимов и технологии проведения закалки углеродистых сталей различного состава.
Изучить диаграмму изотермического превращения аустенита.
Изучить структуру закаленной стали и объяснить ее получение по диаграммам железо-углерод и изотермического превращения.
Изучить влияние количества углерода и скорости охлаждения на твердость закаленной стали.
2. Приборы, материалы, учебные пособия
Муфельная печь.
Закалочный бак с водой.
Закалочный бак с маслом.
Твердомер Роквелла.
Образцы углеродистой стали:
Сталь 20 – 1 шт.
Сталь 45 – 2 шт.
Сталь У10 – 1 шт.
Набор инструмента и вспомогательных материалов.
Альбом микроструктур, справочные материалы.
Комплект шлифов закаленных сталей.
Металлографический микроскоп.
3. Краткие теоретические сведения
Закалка стали – это термическая обработка стали, при которой главным процессом является формирование неравновесной структуры во время ускоренного охлаждения, применяемая для получения максимально возможной твердости и прочности стали.
В зависимости от температуры нагрева закалку называют полной и неполной. При полной закалке происходит полное фазовое превращение, т. е. сталь при нагреве переводят в однофазное аустенитное состояние.
Полной закалке подвергают доэвтектоидные стали, нагревая их выше критической температуры GS (Ас3) на 30-50С (рис. 1).
При неполной закалке происходит неполная фазовая перекристаллизация, т. е. сталь нагревают до межкритических температур – между РSК (Ас1) и GS (Ас3) или между РSК (Ас1) и SЕ (Асm). Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке, нагревая их выше линии РSК (Ас1) на 30-50С (рис. 1).
Различают два вида закалки: закалка без полиморфного превращения и закалка с полиморфным превращением.
Углеродистые и низколегированные стали, в отличие, например, от некоторых цветных сплавов, подвергают закалке с полиморфным превращением.
Закалка с полиморфным превращением (или закалка на мартенсит) – это термическая обработка сплава, при которой главным является мартенситное превращение высокотемпературной фазы. Поэтому закалку углеродистых сталей называют закалкой на мартенсит. Такая закалка применяется для получения максимально возможной твердости и износостойкости стали.
Основными параметрами закалки являются температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения.
Первым этапом закалки является нагрев стали. В большинстве случаев цель нагрева стали – получение аустенитной структуры. Температура нагрева стали под закалку зависит от количества углерода. Доэвтектоидную сталь необходимо нагревать до температуры на 30-50°С выше критической точки Ас3 (рис. 1). При таком нагреве происходит полная фазовая перекристаллизация (Ф + П → А), поэтому закалка называется полной. При неполной закалке происходит неполная фазовая перекристаллизация, т. е. сталь нагревают до межкритических температур – между критическими точками Ас1 и Ас3 (рис. 1). Эвтектоидную и заэвтектоидную стали нагревают на 30-50°С выше критической точки Ас1 (рис. 1). Для заэвтектоидной стали такая закалка будет неполной, потому что при нагреве происходит частичная фазовая перекристаллизация (П + ЦII → А + ЦII). Для некоторых легированных сталей температура нагрева под закалку значительно превышает критические точки АС1 и АС3 (на 150-250°С), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированности аустенита. Такое повышения температуры не ведет к значительному росту зерна, так как нерастворимые частицы карбидов тормозят рост зерна аустенита.
Рисунок 1 Левая часть диаграммы железо-углерод. Оптимальный интервал температур для нагрева стали под закалку |
Второй этап – это выдержка, которая должна обеспечить полный прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, а также полную гомогенизацию аустенита (т. е. равномерное распределение углерода в аустенитной структуре). Время выдержки зависит от размеров и формы изделия, а также от температуры нагрева. Чем больше размеры изделия, тем больше время выдержки. Чем выше температура нагрева (при прочих равных условиях), тем меньше время выдержки. В таблице 1 показано время нагрева и выдержки образца или детали из углеродистых сталей в зависимости от температуры нагрева, их формы и размеров. Для легированных сталей это время может быть увеличено на 10-20%.
Третий этап – это охлаждение стали. Скорость охлаждения стальных образцов или деталей должна быть не ниже критической (Vкр.).
Критической скоростью закалки (Vкр.) называется минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит. Критическая скорость закалки неодинакова для различных сталей и зависит от устойчивости аустенита, определяемой химическим составом стали.
Углеродистые стали имеют высокую критическую скорость закалки (800-200С/с). Причем, наименьшей критической скоростью закалки обладает эвтектоидная сталь. Чем крупнее зерно аустенита и больше его однородность, тем меньше критическая скорость закалки. Критическая скорость закалки для углеродистых сталей обеспечивается закалкой в воде или водных растворах солей или щелочей.
Таблица 1 Время нагрева и выдержки образца или детали из углеродистых сталей в зависимости от температуры нагрева, их формы и размеров
Температура нагрева, °С |
Форма изделия | ||
Круг |
Квадрат |
Пластина | |
Продолжительность нагрева, мин | |||
на 1 мм диаметра на 1 мм толщины | |||
600 700 800 900 1000 |
2 1,5 1 0,8 0,4 |
3 2,2 1,5 1,2 0,6 |
4 3 2 1,6 0,8 |
Легирующие элементы, повышая устойчивость аустенита, резко снижают критическую скорость закалки. Например, при введении 1% Cr в сталь с 1% углерода критическая скорость закалки уменьшается в 2 раза, а при введении 0,4% Мо критическая скорость закалки уменьшается от 200 до 50/с. Сильно снижают критическую скорость закалки марганец и никель, в меньшей степени ее снижает вольфрам. Для многих легированных сталей критическая скорость закалки снижается до 20-30С/с и ниже. Кобальт является единственным легирующим элементом, повышающим критическую скорость закалки.
Для закалки легированных сталей используют минеральное масло, обеспечивающее меньшую скорость закалки в мартенситном интервале температур, а, следовательно, меньшие закалочные напряжения.
Охлаждение стали при закалке производят с большой скоростью (несколько сотен градусов в секунду). При такой высокой скорости охлаждения диффузия углерода в кристаллической решетке железа произойти не успеет, а кристаллическая решетка -железа, путем сдвига атомов железа друг относительно друга на расстоянии меньше межатомных, перестраивается в -железо. Так как диффузия атомов углерода и железа отсутствует, т. е. процесса является бездиффузионным, то содержание углерода в решетке -железа будет равно содержанию углерода в решетке -железа аустенита в результате чего решетка -железа оказывается пересыщенной углеродом, деформируется и становится тетрагональной (рис. 2). Эта новая фаза с тетрагональной кристаллической решеткой железа называется мартенситом.
Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в -железо. Мартенсит имеет высокую твердость, в основном, из-за пересыщения решетки -железа углеродом и его твердость возрастает с увеличением содержания углерода. Так как целью закалки является получение максимально возможной твердости и прочности стали, то охлаждение стали при закалке необходимо проводить с такой скоростью, чтобы получить мартенситную структуру.
Мартенсит высокоуглеродистых сталей имеет игольчатое строение (рис. 4), высокую твердость и низкую пластичность. Чем больше содержание углерода в мартенсите, тем больше искажение кристаллической решетки, т. е. больше отношение параметров решетки с/а, называемое степенью тетрагональности, и, следовательно, выше твердость кристаллов мартенсита. Скорость образования кристаллов мартенсита очень велика и достигает 1000 м/с. Атомы железа при перестройке γ→α смещаются упорядоченно, в строго определенных кристаллографических направлениях. Мартенсит в высокоуглеродистых сталях может иметь твердость до 65 НRC. Высокая твердость мартенсита обусловлена, во-первых, искажениями кристаллической решетки и, соответственно, большими внутренними напряжениями. Во-вторых, возникновением фазового наклепа вследствие увеличения объема при превращении аустенита в мартенсит (плотность упаковки ГЦК решетки больше, чем ОЦК решетки), в результате чего плотность дислокаций в мартенсите достигает уровня плотности дислокации холоднодеформированной стали и равняется 1010–1012 см-2.
Скорость охлаждения зависит, в основном, от содержания в стали легирующих элементов и определяется диаграммой изотермического превращения аустенита (рис. 3).
Диаграмма изотермического превращения стали У8 состоит из следующих областей.
I – область устойчивого аустенита.
II – область неустойчивого переохлажденного аустенита.
III – область распада аустенита на феррито-цементитную смесь.
IV – область продуктов распада аустенита на феррито-цементитную смесь.
V – область бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит.
Две С-образные кривые 1 и 2 на диаграмме указывают, соответственно, время начала и конца распада аустенита на феррито-цементитную смесь.
Две горизонтальные линии Мн и Мк на диаграмме указывают, соответственно, температуру начала и конца бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит.
Наименьшей устойчивостью переохлаждаемый аустенит обладает при ~ 550С. Превращения в интервале температур Ас1 – 550C называют перлитным, а в интервале 550С – Мн промежуточным или бейнитным.
Рисунок 2 Схема тетрагональной решетки мартенсита |
Рисунок 3 Диаграмма изотермического превращения аустенита стали У8 (τ – время) |
В области перлитного превращения аустенит, в зависимости от степени переохлаждения, превращается в феррито-цементитную смесь пластинчатого строения различной степени дисперсности, под которой понимается суммарная толщина расположенных рядом пластин феррита и цементита.
Перлит – крупнодисперсная смесь пластинок феррита и цементита с суммарной толщиной пластинок 8-10 мкм.
Сорбит – среднедисперсная смесь пластинок феррита и цементита с суммарной толщиной пластинок 6-8 мкм.
Тростит – мелкодисперсная смесь пластинок феррита и цементита (смесь высокой степени дисперсности) с суммарной толщиной пластинок 2-4 мкм.
С увеличением скорости охлаждения возрастает дисперсность феррито-цементитной смеси, что приводит к увеличению прочности и твердости стали и уменьшению ее пластичности.
При скоростях охлаждения больше критической скорости охлаждении Vкр, аустенит переохлаждается до температуры начала мартенситного превращения Мн и начинается мартенситное превращение.
Критическая скорость охлаждения или критическая скорость закалки Vкр – это минимальная скорость охлаждения, при которой происходит бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит.
Мартенсит зарождается на границе зерна аустенита и в виде линзообразной пластины прорастает через все зерно аустенита. Затем образуются следующие пластины мартенсита, которые расположены под определенным углом к ранее образовавшимся пластинам мартенсита, т.е. образование мартенсита происходит не за счет роста ранее образовавшихся пластин мартенсита, а за счет образования новых пластин мартенсита.
Пластины мартенсита выглядят под микроскопом в виде иголок (рис. 4а) и поэтому говорят, что мартенсит имеет игольчатую структуру, причем размер игл мартенсита тем больше, чем больше исходное зерно аустенита.
При перегреве стали вырастает зерно аустенита и при закалке получится крупноигольчатый мартенсит (рис. 4в).
Образование мартенсита происходит с увеличением объема, и поэтому аустенит остаточный будет находиться в напряженном состоянии.
Если охлаждение стали в области V мартенситного превращения прекратить и дать выдержку, то структура стабилизируется и при дальнейшем охлаждением мартенситное превращение либо вообще не происходит, либо происходит с задержкой и не в полном объеме.
Для того чтобы мартенситное превращение прошло наиболее полно, сталь необходимо непрерывно охлаждать до линии конца мартенситного превращения (закалка холодом).
Микроструктура закаленной стали зависит от температуры нагрева и скорости охлаждения. Нагрев до рекомендуемых температур Ас3 + (30…50)С доэвтектоидных сталей при полной и Ас1 + (30…50)C заэвтектоидных сталей при неполной закалке позволяет получить структуру мелкоигольчатого мартенсита (рис. 4а) и мартенсита и вторичного цементита (рис. 4б).
Охлаждение при закалке со скоростью меньше критической вызывает образование наряду с мартенситом, тростита (рис. 4д), что приводит к уменьшению твердости стали.
Углеродистые стали имеют высокую критическую скорость закалки Vкр и поэтому их закаливают в воде или водных растворах солей со скоростью охлаждения 600С/сек. и выше.
Легирующие элементы в легированных сталях, за исключением кобальта, повышают устойчивость аустенита, что приводит к смещению вправо линии начала превращения аустенита в феррито-цементитную смесь на диаграмме изотермического превращения аустенита легированных сталей, что, в свою очередь, приводит к уменьшению критической скорости закалки легированных сталей. Поэтому легированные стали закаливают в масле со скоростью охлаждения ~ 150С/сек.
Рисунок 4 Микроструктура закаленной стали и ее условная зарисовка: а) мартенсит мелкоигольчатый; б) мартенсит + цементит; в) мартенсит крупноигольчатый (перегрев стали); г) мартенсит + феррит (недогрев стали); д) мартенсит + тростит (замедленное охлаждение) |