Контрольні питання

1 Значення дослідження мікроструктури вуглецевих сталей.

2 Характеристика структурних складових вуглецевих сталей у зрівноваженому стані та їх вплив на механічні властивості сталі.

3 Послідовність визначення вмісту вуглецю в сталі за її структурними складовими.

4 Форма фериту і її вплив на властивості сталі.

5 Форма цементиту і її вплив на властивості сталі.

6 Перліт та його зерна на мікроструктурі.

7 Класифікація вуглецевих сталей та їх маркування.

8 Вміння за фотографіями мікроструктур вуглецевих сталей визначати приблизну марку сталі.

9 Класифікація чавунів та їх маркування.

10 Структурні складові білих, сірих, кувальних і високоміцних чавунів та їх вплив на механічні властивості чавуну.

11 Форма і розміри графітних включень та їх вплив на механічні властивості чавунів.

12 Вплив будови основи чавуну на його механічні властивості.

13 Використовуючи фотографії мікроструктур визначити вид чавуну.

14 Застосування чавунів у народному господарстві.

Лабораторна робота № 4

ВИЗНАЧЕННЯ основних механічних властивостей МЕТАЛІВ

Мета роботи

1 Оволодіти методикою виконання операції термічної обробки вуглецевої сталі з подальшим її контролем.

2 Вивчити вплив:

а) температури нагріву під загартування на структуру сталі і її механічні властивості (твердість);

б) швидкості охолодження на структуру сталі і її механічні властивості (твердість);

в) температури відпускання на структуру сталі і її механічні властивості (твердість).

3 З’ясувати суть хіміко-термічної обробки.Термічна та хіміко-

Теоретичні відомості

Термічна обробка – це технологічний процес теплової обробки металів і сплавів, в результаті якого відбувається зміна їх будови і властивостей. За допомогою термічної обробки можна отримати як підвищену твердість і міцність, так і високу пластичність та в'язкість. Термічній обробці можуть піддаватися всі без винятку метали і сплави. Особлива роль у розвитку термообробки належить Д. К. Чернову, який вперше встановив, що властивості сталей залежать від їх структури, що визначається температурою нагріву і швидкістю охолоджування.

Основними чинниками, що визначають режими термічної обробки, є температура нагріву, час витримки і швидкість охолодження.

Як приклад, далі будуть розглянуті перетворення, що відбуваються в евтектоїдній сталі при її нагріванні і охолодженні з різною швидкістю. Нагрівання сталі до температури, вище за точку G, приведе до утворення з перліту структури аустеніту. Як відомо, при повільному охолодженні сталі, після її нагріву вище критичної точки А₁ (723 ºС) відбувається розпад аустеніту на феритно-цементитну суміш, що зветься перлітом. Це перетворення складається з двох процесів, що відбуваються одночасно: 1) переходу Fe в Fe_α і 2) утворення карбіду заліза Fe₃C (цементиту).

Перший процес – алотропічне перетворення заліза – бездифузійний і тому протікає миттєво.

Другий процес – утворення цементиту – дифузійний, пов'язаний з виходом атомів вуглецю з твердого розчину. Отже, для його завершення потрібний певний час. Тому при швидкому охолодженні в точці перлітних перетворень частинки цементиту не встигають сформуватися, і ця точка зміщується в бік більш низьких температур. При цьому, чим більше швидкість охолодження сталі, тим при нижчій температурі закінчується процес розпаду аустеніту на феритно-цементитну суміш (таблиця 4.1).

Таблиця 4.1 – Режими розпаду аустеніту.

Швидкість охолодження, ºС/с	Температура закінчення розпаду, ºС	Ступінь переохолодження аустеніту, ºС
1/60	710	13
1	680	43
10	650	73
50	600	123
100	550	173
150	240	483

Ферито-цементитні суміші, утворені при різних швидкостях охолодження, відрізнятимуться величиною зерен, тобто ступенем дисперсності і, отже, своїми механічними властивостями.

Ферито-цементитну суміш, утворену при швидкостях охолодження до 50 ºС/с – називають перлітом. Його твердість приблизно рівна НВ2000 МПа.

Ферито-цементитні суміші, утворені при швидкостях охолодження від 50 ºС/с до 100 ºС/с, будуть дрібніше за перліт. Їх називають сорбітом, твердість якого приблизно рівна НВ2500 МПа.

Ферито-цементитну суміш, утворену при швидкостях охолодження від 100 ºС/с до 150 ºС/с і такі, що мають дуже дрібні зерна, називають трооститом. Її твердість біля НВ3500 МПа.

При швидкості охолодження понад 150 °С/с аустеніт не розпадатиметься на ферито-цементитну суміш. Він охолоджується до температури приблизно 240 ºС, а потім перетворюється на мартенсит, що є перенасиченим твердим розчином впровадження вуглецю в Fe . Присутність вуглецю в α-залізі, де йому немає місця в кристалічній гратці (ОЦК) приводить до різкої зміни її розмірів і форми (до спотворення). Тому мартенсит має підвищену твердість (біля НВ6000 МПа).

Описані перетворення в сталях використовують на практиці, отримуючи шляхом нагріву і охолодження з різною швидкістю потрібні структуру і властивості. Так, нагріваючи евтектоїдну сталь до стану аустеніту і поволі охолоджуючи, отримують найм’якішу структуру (перліт). Це можуть бути такі операції термообробки, як відпал і нормалізація.

Охолоджуючи нагріту до стану аустеніту евтектоїдну сталь із швидкістю більше 150 °С/с, отримують структуру мартенситу. Ця операція термообробки називається загартуванням. Проте після загартування сталь використовувати не можна. Вона дуже крихка і має низьку міцність. Її необхідно шляхом нагрівання до певних температур (не вище критичною) привести у стійкіший стан. Ця операція термообробки називається відпусканням. Таким чином, метою відпускання є отримання бажаної структури (трооститу, сорбіту, перліту) і, відповідно, необхідних властивостей сталі. При цьому знижуються її внутрішні напруження.

В процесі швидкого охолодження сталі, в ній може також утворитися структура, що є трохи пересиченим твердим розчином впровадження вуглецю в Fe_α в суміші з карбідом заліза, яка називається бейнітом. Таким чином, бейніт – проміжна структура між трооститом і мартенситом, що має високу твердість (біля НВ5000 МПа).

Перетворення в сталі, нагрітій до стану аустеніту, можна вивчити, переохолоджуючи її до різних температур і витримуючи при цих температурах. Результатом таких експериментальних досліджень є побудовані так звані діаграми ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту, які встановлюють стійкість, тобто тривалість існування переохолодженого аустеніту залежно від температури. По цій діаграмі можна точно визначити, скільки часу переохолоджений до даної температури аустеніт залишається таким, що не розпадається, через який час розпадається і яка структура є продуктом розпаду. І, якщо діаграма залізо – цементит одна для всіх сплавів, то діаграма ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту будується для кожної марки сталі. Для теорії і практики термічної обробки необхідні обидві діаграми. І, якщо за допомогою діаграми стану Fе-Fе₃С, встановлюють температуру нагріву сталі при відпалі, нормалізації, загартуванні, то діаграма ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту дозволяє вибрати швидкість охолодження для одержання необхідної структури і властивостей сталі. Це легко визначити, якщо накласти на діаграму стану криві охолодження сталі.

Отже, основними операціями термообробки сталі є: відпал, нормалізація, загартування і відпускання.

Відпалом називається операція термообробки, що полягає у нагріванні сталі до певної температури, витримці при цій температурі і повільному охолодженні разом з піччю. Відпал проводять для зниження твердості, збільшення пластичності і в'язкості та поліпшення оброблюваності сталі. На практиці, як правило, застосовують наступні види відпалів.

Відпал 1-го роду (без фазових перетворень). Цей відпал застосовують як для моно -, так і для поліморфних металів і сплавів. Розрізняють наступні різновидності відпалу 1-го роду: гомогенізуючий відпал, рекристалізаційний та для зняття напружень.

Гомогенізуючий (дифузійний) відпал дозволяє усувати дендритну ліквацію у відливках і злитках сплавів кольорових металів і високолегованих сталей. Із зростанням температури збільшується і швидкість дифузії. Тому цей відпал сталі проводять при високих температурах, при цьому її нагрівають до 1000 – 1200 °С, витримують 8-15 годин при цій температурі, а потім повільно охолоджують до температури 500-600 °С, після цього охолодження відбувається з довільною швидкістю.

Рекристалізаційний відпал частіше застосовується для холодно-деформованих металів і сплавів з метою зняття наклепання. Ця обробка може бути проміжною і остаточною. В результаті рекристалізації утворюються нові зерна з меншою концентрацією дефектів будови, знижуються внутрішні напруження, знижуються міцнісні і підвищуються пластичні властивості металів і сплавів. Температура відпалу 680-700 °С – для вуглецевих сталей, для легованих – 700-730 °С. Час витримки залежить від площі перерізу оброблюваного виробу.

Відпал для зняття напружень дозволяє усунути внутрішні (залишкові) напруження, внесені до металу попередньою обробкою. Цей відпал найчастіше ведеться при температурі 400 - 680 °С, час витримки – з розрахунку 2,5 хв. на 1 мм товщини перерізу деталі.

Відпал 2-го роду (з фазовою перекристалізацією). Цей відпал проводиться з метою одержання зрівноваженої структури металів і сплавів, що зазнають при тепловому впливу фазових перетворень. Відпал 2-го роду зменшує концентрацію дефектів кристалічної ґратки, знижує внутрішні напруження, подрібнює зерно, виправляє структуру, створену попередньою обробкою. В результаті підвищується пластичність і знижується міцність і твердість металу. Застосовують повний, неповний та ізотермічний види відпалу 2-го роду.

Повний і неповний відпал розрізняють ступенем (повнотою) фазових перетворень. Температура нагріву при повному відпалі на 30-50 °С вище за лінію GSE, при неповному – на 10 – 30 °С вище за лінію Рsк.

Ізотермічний відпал здійснюється за наступною схемою: нагрівання сталі (доевтектоїдної – вище за лінію GS, заевтектоїдної, – вище за лінію SK), витримка до повного прогрівання та фазового перетворення, швидке охолодження до температури 600-700 °С, ізотермічна витримка до повного розпаду аустеніту та швидке охолодження на повітрі.

Нормалізація – різновид повного відпалу – отримує все більше розповсюдження завдяки значному скороченню часу на термообробку, оскільки охолодження проводиться на повітрі. Вона застосовується як завершальна операція для низько-вуглецевих і легованих сталей, для заевтектоїдних сталей – як допоміжна операція перед загартуванням.

Загартування проводиться для підвищення твердості, зносостійкості та межі пружності. При загартуванні сталь нагрівають вище за критичні точки, витримують, а потім швидко охолоджують. Залежно від швидкості охолодження розрізняють різке або сильне загартування на мартенсит і помірне – на троостит. Для загартування вуглецевих сталей на мартенсит застосовують охолодження у воді, на троостит – у мінеральному маслі. Температура під загартування повинна бути такою, щоб сталь перейшла повністю в аустенітний стан. Для доевтектоїдної сталі температура нагріву повинна бути на 30-50 ºС вище за лінію GS, для заевтектоїдної – на 30-50 ºС вище за лінію SK, оскільки вторинний цементит, що залишається при такому нагріванні, підвищує твердість і зносостійкість загартованої сталі.

Пересичені тверді розчини, що утворюється в результаті загартування, метастабільні і при нагріванні починають розпадатися. Процеси їх розпаду в сплавах, загартованих з поліморфним перетворенням, називаються відпусканням, а в сплавах, загартованих без поліморфного перетворення, – старінням.

Відпускання призначене для часткового або повного зменшення метастабільності загартованого на мартенсит матеріалу. Температура нагріву при відпусканні не повинна перевищувати температури фазового переходу. Відпускання залежно від температури нагріву буває низьким (150-300 °С), середнім (300-500 °С) і високим (500-650 °С); і в тому або іншому ступені зменшує внутрішню напругу і крихкість, знижує твердість і міцність, підвищує пластичність і в'язкість.

Крім звичайної термічної обробки для підвищення механічних властивостей сталі інколи піддають термомеханічній обробці, яка полягає у нагріванні до температури вище критичних точок, витримка, пластична деформація при високій температурі і наступне охолодження з метою одержання особливої мартенситної структури.

Одним з ефективних способів поверхневого зміцнення металів є хіміко-термічна обробка. Вона представляє собою технологічний процес насичення поверхневого шару виробу яким-небудь елементом шляхом дифузії його із зовнішнього середовища. При хіміко-термічній обробці змінюється і хімічний склад поверхневого шару деталей.

Механізм насичення металу полягає в адсорбції атомів, що підводяться до виробу; розчиненні адсорбованих атомів в металі; дифузії розчиненої речовини в глибину оброблюваного виробу.

Хіміко-термічна обробка (ХТО) здійснюється при високих температурах з метою підвищення швидкості дифузії.

До найбільш розповсюджених методів ХТО відносяться цементація, азотування, ціанування, дифузійна металізація.

Цементація – процес насичення поверхневого шару сталі вуглецем. Цементації піддаються низьковуглецеві сталі (0,1...0,3 % С), в тому числі і леговані. Цементацію здійснюють твердим карбюризатором (деревним вугіллям з додаванням ВаСО₃, NaCO₃, К₂СО₃) при температурі 900...950 ^оС в металевих ящиках протягом 8...14 год.

Газова цементація вуглецевих сталей здійснюється в закритих камерних печах, що заповнені відповідним газом (природним, окислом вуглецю, метаном, пропаном та ін.), при температурі 930...950 ^оС протягом 8...12 год.

Азотування – процес дифузійного насичення поверхні виробу азотом. Азотують леговані сталі (35ХМЮА, 35ХЮА і ін.). Перед азотуванням заготовку піддають загартуванню та високому відпус-канню. Азотування проводять в печах при температурі 500...600 ^оС. Активний азот, що виділяється при дисоціації аміаку, шляхом дифузії проникає з іншими елементами в поверхневий шар і утворює дуже тверді хімічні сполуки – нітриди (AlN, MoN, Fe₃N та ін.).

Азотування на глибину 0,2...0,5 мм продовжується протягом тривалого часу (25...60 год.) і в цьому його основний недолік.

Ціанування – процес одночасного дифузійного насичення поверхневого шару вуглецем і азотом в розплавлених ціаністих солях; а в газовому середовищі – нітроцементація. Ціанування в розплаві ціаністих солей NaCN, KCN, Ca(CN)₂ здійснюють для підвищення міцності та зносостійкості невеликих деталей, що працюють при малих питомих навантаженнях.

Дифузійна металізація – процес поверхневого насичення стальних деталей металами (алюмінієм, хромом і ін.) для підвищення жаростійкості, корозійної стійкості, твердості та зносостійкості.

Алітування – процес хіміко-термічної обробки; дифузійне насичення поверхневого шару сталі алюмінієм при нагріванні у відповідному твердому або рідкому середовищі.

Хромування – процес дифузійного насичення поверхневого шару сталі хромом при нагріванні у відповідному середовищі.

Послідовність виконання роботи

1 Використовуючи діаграму стану Fe-Fe₃C, криві залежності положення критичних точок від швидкості охолодження сталі і діаграму ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту, вивчити перетворення, що відбуваються в сталі при її нагріванні та охолодженні з різною швидкістю.

2 Встановити вплив температури нагріву під загартування на механічні властивості (твердість) сталі 45 та її структуру. З цією метою визначити твердість чотирьох зразків, виготовлених із сталі 45, нагрітих до температури відповідно 650, 740, 840, 950 °С і загартованих у воді; вивчити їх мікроструктуру (номер зразків мікрошліфів відповідно 1, 2, 3, 4).

3 Встановити вплив швидкості охолоджування на механічні властивості (твердість) сталі 45 та її структуру. З цією метою визначити твердість чотирьох зразків, нагрітих до температури 840 °С і охолоджених у воді, маслі, на повітрі та в печі, і вивчити їх структуру (номер зразків, відповідно: 3, 5, 6, 7).

4 Встановити вплив температури нагріву при відпусканні на механічні властивості (твердість) сталі 45 та її структуру. З цією метою визначити твердість чотирьох зразків, нагрітих до температури відповідно 180, 380, 520, 650 °С, і вивчити їх мікроструктуру (номер зразків мікрошліфів відповідно: 8, 9, 10, 11).

5 З’ясувати сутність процесів хіміко-термічної обробки сталей (цементації, азотування, ціанування). Привести можливі режими хіміко-термічної оброки сталей (середовище обробки, температура, час витримки).

Устаткування, прилади, матеріали

1 Діаграма стану Fe-Fe₃C, діаграми ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту сталі 45, криві залежності положення критичних точок від швидкості охолодження.

2 Твердомір типу ТК-2 (Роквелла).

3 Металографічний мікроскоп.

4 Набір зразків (11 шт.), виготовлених із сталі 45 і термічно оброблених за вказаними режимами.

5 Муфельні печі – 2 шт.

6 Термопари – 2 шт.

7 Ванни з водою і маслом.

Зміст звіту

1 Найменування і мета роботи.

2 Графік зміни твердості залежно від температури нагріву сталі 45 під загартування в координатах "Твердість (HRC) – температура”. Зарисовки мікроструктур шліфів сталі 45 (4 шт.) після загартування при різних температурах. Пояснення впливу температури нагрівання під загартування на структуру і твердість сталі 45.

3 Графік зміни твердості залежно від швидкості охолодження сталі 45 в координатах "Твердість (HRC) – швидкість охолодження”. Зарисовки мікроструктур шліфів сталі 45 (4 шт.) після їх нагріву у воді, маслі, на повітрі та в печі. Пояснення впливу умов охолодження на структуру і твердість сталі 45.

4 Графік зміни твердості залежно від температури нагріву при відпусканні сталі 45 в координатах "Твердість (НRС) – температура". Зарисовки мікроструктур шліфів сталі 45 (4 шт.) після їх загартування і відпускання з різних температур. Пояснення впливу температури відпускання на структуру і твердість сталі 45.

Контрольні питання

1 Як впливають швидкості охолодження на перетворення в сталі?

2 Поняття про діаграму ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту.

3 Практичне використання при термічній обробці діаграми стану сплавів системи залізо - цементит та діаграми ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту.

4 Види термічної обробки: відпал, нормалізація, загартування, відпускання, їх призначення та особливості виконання.

5 Вплив температури нагріву при загартуванні на механічні властивості сталі.

6 Вплив швидкості охолоджування на структуру і механічні властивості сталі.

7 Вплив температури нагріву при відпусканні на структуру і механічні властивості сталі.

8 Яке призначення має хіміко-термічна обробка матеріалів?

9 Суть хіміко-термічної обробки та її види.

10 Як відбувається поверхневе зміцнення матеріалів?

11 В чому суть дифузійної металізації?

12 Процеси, що відбуваються при хіміко-термічній обробці у твердому та газовому середовищі.