Качественные конструкционные стали

 

Качественные конструкционные стали поставляются металлургическими заводами по ГОСТ 1050-74. Их марки обозначаются двухзначными цифрами, выражающими примерно среднее содержание углерода в сотых долях процента, т.е. 05, 08, 10, 15, 20, 25, 30, и далее до марки 85 через каждые пять сотых процента углерода.

Они могут быть с нормальным содержанием марганца (0,5-0,8%) и повышенным (0,7-1,0%). Во втором случае к марочному обозначению добавляется буква «Г» (15Г, 20Г, 25Г, …50Г).

Задание

1. Начертить упрощенный вариант диаграммы состояния сплавов железа с углеродом и провести на ней прямые заданных сплавов.

2. Для каждого сплава построить схемы кривых равновесного охлаждения; охарактеризовать каждый сплав по положению на диаграмме, содержанию углерода, применению в технике, обозначив его соответствующей ГОСТам маркой.

3. Ознакомиться с металлографическим микроскопом МИМ-7, зарисовать его оптическую схему и освоить приемы работы на нем.

4. Ознакомиться с микроструктурой заданных сплавов и изобразить ее схемы.

5. Используя цифровые данные текста и таблиц руководства, построить график зависимости предела прочности от содержания углерода для стального участка диаграммы и кратко пояснить его.

6. Ознакомиться с микроструктурой чугунов, сделать эскиз и пояснить микроструктуру.

Контрольные вопросы:

 

1. Что называется равновесным и неравновесным состоянием структуры?

2. Какую структуру имеют металлы и сплавы?

3. Какие зерна имеют металлические сплавы?

4. Что такое диаграмма состояния железо-углерод и где она используется?

5. Общая характеристика диаграммы состояния Fe–C сплавов?

6. На какие группы подразделяется сплавы Fe–C по диаграмме состояний?

7. До каких концентраций углерода распространяется каждая группа?

8. Что такое температурный гистерезис сплавов Fe–C?

9. Какие структурные составляющие образуются в сталях?

10. Чем чугун отличается от сталей по микроструктуре?

 

Литература

 

1. Металловедение / Под ред. М.С. Арановича. М.: МЭИ, 1970.

2. Материаловедение: Учебник для ВУЗов / Под ред. Б.Н. Арзамасова М.: Изд-во МГТУ, 2002.

3. Лабораторный практикум по материаловедению. М.: Изд-во МЭИ, 1998.

 

Лабораторная работа № 4

ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ПО КРИВЫМ

ОХЛАЖДЕНИЯ СПЛАВОВ

 

Цель работы

 

Освоение методики построения диаграмм состояния с использованием метода термического анализа и экспериментальное построение диаграммы состояния системы свинец – олово по кривым охлаждения сплавов.

 

Диаграмма состояния сплавов какой-либо системы графически изображает изменения, происходящие в сплавах этой системы при изменении концентрации и температуры, и позволяет правильно назначать режимы ихобработки: горячей обработки давлением, термической обработки, литья.

Диаграммы состояния строят на основании данных термического анализа, с помощью которого определяют температуры фазовых превращений, происходящих в сплавах, т.е. так называемые критические точки.

Критические точки металлов и сплавов определяют путем непрерывного наблюдения за изменением температуры сплава, охлаждаемого от состояния полного расплавления до комнатной температуры. График изменения температуры сплава во времени называют кривой охлаждения.

Фазовые превращения, происходящие в сплавах при охлаждении, сопровождаются выделением скрытой теплоты, кристаллизации компенсирующей отвод тепла во внешнюю среду и замедляющей снижение температуры сплава. Превращения, происходящие при постоянной температуре, отмечаются на кривой охлаждения площадкой, а протекающие в интервале температур - точками перегибов в начале и в конце превращения.

По найденным критическим точкам для большого числа сплавов различного состава строится диаграмма состояния. При ее построении по горизонтальной оси откладывается состав сплава в процентах, а по вертикальной - температуры. Все критические точки переносятся на ординаты соответствующих сплавов. Одноименные критические точки соединяют плавными линиями и таким путем получают диаграмму состояния.

Тип диаграммы состояния определяется характером взаимодействия веществ (компонентов), образующих систему сплавов.

Настоящая работа состоит в построении диаграммы состояния системы Pb-Sn методом термического анализа. Оба компонента (свинец и олово) в жидком состоянии полностью взаимно растворимы в любых соотношениях. В твердом состоянии они отличаются ограниченной взаимной растворимостью, уменьшающейся при снижении температуры, и не образуют химических соединений.

Линии DF и EG (рис. 4.1) представляют собой линии предельной растворимости соответственно олова в свинце и свинца в олове. Максимальная растворимость олова в свинце соответствует точке D (19,5% Sn, остальное свинец), а свинца в олове в точке E (97,4% Sn, остальное свинец). Линия АСВ называется линией ликвидус: выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия ADCEB - линия солидус, ниже нее все сплавы находятся в твердом состоянии.

 

 

Рис. 4.1. Диаграмма состояния системы свинец-олово. Схемы кривых охлаждения и микроструктур сплавов

 

Проследим за процессом кристаллизации сплавов, отличающихся по характеру протекающих в них превращений и структуре.

Кристаллизация сплава II начинается в точке 1 выделением из однородного жидкого раствора кристаллов α-твердого раствора замещения олова в свинце. В точке 2 последние капли жидкости переходят в твердое состояние, т.е. кристаллизация сплава заканчивается образованием α-твердого раствора во всем объеме сплава. В интервале температур между точками 2 и 3 сплав охлаждается, не претерпевая никаких превращений. В точке 3 твердый α-раствор становится насыщенным относительно олова. При дальнейшем медленном охлаждении сплава растворимость олова в свинце уменьшается (линия DF) и сплав становится пересыщенным оловом. Поэтому избыток олова выделяется с образованием кристаллов β_п-твердого раствора свинца в олове. При этом химический состав α-твердого раствора изменяется по линии DF и при 20 °С в нем содержится около 1% Sn (точка F).

Аналогичные превращения происходят в сплавах содержащих от 97,4 до 99% олова, но с той разницей, что в результате первичной кристаллизации выпадают кристаллы β-твердого раствора, а вторичная кристаллизация сопровождается образованием вторичных кристаллов α_п.

Таким образом, сплавы, содержащие от 1 до 19,5% Sn (остальное свинец) и более 97,4% (до 99%) Sn (остальное свинец), имеют три критические точки, выражающиеся на кривой охлаждения тремя перегибами (рис. 4.1).

Сплав IV состава точки С (61,9% Sn и 38,1% Рb) называется эвтектическим. Он затвердевает при постоянной эвтектической температуре t _э = 183 °С с образованием тонкой механической смеси (эвтектики), состоящей из мелких кристалликов твердых растворов на основе свинца и олова состава точек D и Е.

Чистые металлы - свинец и олово (сплавы I и VI на рис. 4.1), как и эвтектический сплав, начинают и заканчивают кристаллизацию при одной и той же температуре, и имеют на кривых охлаждения только горизонтальную площадку, т.е. одну критическую точку.

Все сплавы с концентрацией от 19,5 до 61,9% Sn (доэвтектические) и от 61,9 до 97,4% Sn (заэвтектические) заканчивают кристаллизацию при эвтектической температуре.

В доэвтектическом сплаве III кристаллизация начинается в точке I выделением из жидкости кристаллов a-твердого раствора, а в заэвтектическом (сплав V) - β-твердого раствора. В процессе охлаждения от точки 1 до точки 2 количество твердой фазы в сплаве увеличивается, а жидкой - уменьшается. Состав твердой части сплава изменяется по линии солидус, а жидкой части – по линии ликвидус. По достижении эвтектической линии оставшаяся жидкость приобретает эвтектический состав и при постоянной температуре
t _э = 183 °С протекает эвтектическое превращение: из жидкости состава точки С одновременно выпадают кристаллы двух твердых растворов - α и β, т.е. образуется эвтектика.

Таким образом, доэвтектические и заэвтектические сплавы имеют две критические точки: верхнюю, соответствующую началу кристаллизации (перегиб на кривой охлаждения), и нижнюю, соответствующую окончанию кристаллизации с образованием эвтектической смеси (площадка на кривой охлаждения).

Кривую охлаждения сплава можно записать с помощью потенциометра, датчиком которого служит термопара, погружаемая в жидкий сплав.

Для определения критических точек на кривой охлаждения находят перегибы и (или) площадки и, учитывая масштаб записи, определяют значения соответствующих температур.

 

Порядок выполнения работы

 

Для проведения работы студенты разбиваются на бригады по 2-3 человека. Две бригады получают чистые металлы (свинец и олово), остальные бригады – сплавы свинца и олова различной концентрации.

Каждой бригаде предоставляется тигельная печь, высокотемпературная термопара, тигель со сплавом, секундомер и специальная подставка.

Для выполнения работы необходимо:

1. Опустить тигель со сплавом в тигельную печь, расплавить металл, немного перегрев его выше температуры плавления;

2. Вынуть тигель с расплавленным сплавом из печи и установить на специальной подставке;

3. Через каждые 30 с в п. 4 бланка отчета записывать значения температуры. Запись прекратить, когда температура сплавов и чистого олова снизится до 140-150 °С, а чистого свинца - до 250 °С;

4. На основании полученных данных в п. 5 бланка отчета построить кривую охлаждения сплава;

5. По кривым охлаждения определить критические точки начала и конца кристаллизации сплавов и записать их в таблицу на доске;

6. По результатам работы всех бригад заполнить п. 6 бланка отчета;

7. В п. 7 бланка отчета на оси абсцисс отметить точки, соответствующие составам исследованных сплавов, и из каждой точки восстановить перпендикуляр, т. е. провести линии сплавов. На каждой линии сплава отметить температуры критических точек. Соединить между собой плавными линиями точки, отвечающие одноименным фазовым превращениям. В каждой области построенной диаграммы указать фазовый и структурный состав;

8. В п. 3 бланка отчета дать схему установки, включающую вертикальный разрез тигельной печи с тиглем, сплавом и термопарой.

 

Контрольные вопросы:

 

1. Какой принцип построения диаграммы Fe-C?

2. Какие фазовые превращения происходят в сплавах при охлаждении и нагреве?

3. Для чего необходима диаграмма состояния сплавов?

4. Что такое критические точки превращения в сплавах?

5. Что определяет тип диаграммы состояния?

6. Что такое ликвидус и солидус?

7. Какие кривые охлаждения имеют чистые металлы?

8. Что такое эвтектика, перитектика и эвтектоида. Их отличие?

9. Что такое Fe₃C, его кристаллическая решетка и свойства?

10. Что называется сталью и чугуном? Показать на диаграмме Fe-C.

 

Литература

 

1. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. Учебник для ВУЗов. 3-е изд. М.: Металлургия, 1983.

2. Материаловедение: Учебник для ВУЗов / Под ред. Б.Н. Арзамасова М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.

3. Лабораторный практикум по материаловедению. М.: Изд-во МЭИ, 1998.

 

Лабораторная работа № 5

 

МИКРОСТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Цель работы

Изучение влияния легирующих элементов на кинетику распада переохлажденного аустенита, структуру и свойства легированных сталей различных структурных классов; знакомство с классификацией и маркировкой легированных сталей.

 

Легированная сталь – это сплав железа с углеродом и легирующими элементами (Cr, Ni, Мо, W, Vи др.), специально вводимыми в сталь с целью изменения ее структуры и свойств в желаемом направлении. Кремний и марганец присутствующие в стали в ограниченном количестве как технологические примеси (Si до 0 4%, Мn до 0,81) также могут быть легирующими элементами, если их содержание превышает указанные выше значения.

 

 

Маркировка легированных сталей

 

Для маркировки легированных сталей в нашей стране принята система обозначения марок стали буквами и цифрами.

Каждый легирующий элемент обозначается заглавной буквой русского алфавита: А - азот; Б - ниобий; В - вольфрам; Г - марганец; Д - медь;
К - кобальт; М - молибден; Н - никель; Р - бор; С - кремний; Т - титан;
Ф - ванадий; Ц - цирконий; Ю - алюминий.

Цифры в начале марки указывают на содержание углерода в сотых (конструкционные стали) или в десятых (инструментальные стали) долях, процента.

Цифра после буквы в марке стали указывает на количество того или иного элемента в процентах, округленное до целого числа. Отсутствие цифры после буквы указывает на то, что количество данного элемента составляет менее 1,5%. Например: конструкционная сталь марки 30ХЗМФ содержит около 0,3% углерода и 3% хрома, а молибдена и ванадия менее 1,5%; инструментальная сталь 9ХС содержит около 0,9% углерода, хрома и кремния менее 1,5%. Если в инструментальных сталях содержание углерода составляет один процент и более, то цифра в начале марки обычно не ставится. Так, сталь В2Ф содержит около 1,2% углерода, 2% вольфрама и менее 1,5% ванадия. Буква А в конце марки стали показывает на ее принадлежность к категории высококачественных (12Х2МФА).

Две буквы А или буква Ш (электрошлаковый переплав) в конце марки стали показывают, что сталь относится к категории особовысококачественных (15Х2НМФАА, ЗОХГС-Ш).

Легированные стали различных качественных категорий различаются по тщательности выплавки, что определяется в первую очередь максимально допустимым содержанием вредных примесей серы и фосфора.

Содержание серы и фосфора в сталях различных категорий не должно превышать 0,04% каждого в отдельности.

Буква А в середине марки стали указывает на содержание в ней азота (16Г2АФ, 2ЗГ2САФ), а в начале марки - на то, что сталь автоматная, повышенной обрабатываемости (А35Г2).

Некоторые стали с особыми физическими свойствами, а также некоторые конструкционные и инструментальные стали, имеют в начале марки букву, характеризующую область применения: Ш - шарикоподшипниковые стали; Р - быстрорежущие стали; Е - стали для постоянных магнитов.

 

Таблица 5.1

Классификация легированных сталей

 

Категория стали	Содержание %
серы	фосфора
Качественная	0,035	0,035
Высококачественная	0,025	0,025
Особовысококачественная	0,015	0,025

 

Легированные стали классифицируют по различным признакам.

По назначению легированные стали делят на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.

По содержанию легирующих элементов, т.е. по степени легированности, легированные стали делят на низколегированные, в которых суммарное содержание легируюших элементов меньше 2,5%, среднелегированные, содержащие от 2,5 до 10% легирующих элементов, и высоколегированные, содержащие больше 10% легирующих элементов.

По числу компонентов, считая железо, углерод и легирующие элементы, но пренебрегая примесями (марганцем, кремнием, серой и фосфором), стали могут быть двухкомпонентными (углеродистые), трех - компонентными (один легирующий элемент), четырехкомпонентными (два легирующих элемента) и т.д. Стали, содержащие больше трех легирующих элементов, обычно называют многокомпонентными или сложнолегированными.

По микроструктуре после нормализации (термическая обработка: нагрев выше температуры А∼ и охлаждение на спокойном воздухе) легированные стали делятся на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный. Образование той или иной структуры легированных сталей после нормализации можно объяснить с помощью диаграмм изотермического распада аустенита (рис. 5.1). Большинство легирующих элементов сдвигает С-образные кривые начала и конца распада аустенита вправо, увеличивая его устойчивость (т.е. время до начала распада) и снижает температуру начала мартенситного превращения М_н.

 

а б в

 

Рис. 5.1. Диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита сталей перлитного (а), мартенситного (б) и аустенитного (в) классов

 

Устойчивость переохлажденного аустенита в сталях перлитного класса при температурах ниже А, невелика, поэтому при охлаждении на воздухе (скорость охлаждения на рис. 5.1, а обозначена стрелкой) происходит распад аустенита с образованием смеси феррита и цементита (перлит, сорбит или троостит). К сталям этого класса обычно относятся низколегированные стали, например четырехкомпонентная сталь 15ХМ. Наличие в стали молибдена увеличивает сопротивление ползучести и обусловливает ее применение для труб пароперегревателей, паропроводов и коллекторов, роторов и дисков турбин.

Структура этой стали после нормализации состоит из феррита и перлита (рис. 5.2, а).

Среднелегированные стали относятся обычно к сталям мартенситного класса, т.е. после нормализации имеют структуру мартенсита. Кривые начала и конца распада аустенита этих сталей на диаграмме изотермического распада (рис. 5.1, б) так сильно сдвинуты вправо, что линия характеризующая скорость охлаждения, соответствующая процессу нормализации, пересекает изотерму мартенситного превращения, обычно не касаясь кривой начала распада аустенита.

в

б

а

 

Рис. 5.2. Микроструктуры легированных сталей: а – перлитного класса (15ХМ: перлит и феррит), б – мартенситного класса (18ХН4ВА: мартенсит), в – аустенитного класса (12Х18Н10Т: зерна аустенита с двойниками скольжения)

 

К сталям мартенситного класса относится, например сталь марки 18ХН4ВА. Эта сталь закаливается не только в масле, но и на воздухе. Она отличается высокими механическими свойствами и поэтому применяется для изготовления ответственных изделий: коленчатых валов, валов редукторов, шестерен. После нормализации и высокого отпуска она имеет предел прочности при растяжении 1000 МПа, относительное удлинение 10Х и ударную вязкость 1,2 МДж/м². Ее структура после нормализации – мартенсит (рис. 5.2, б).

При высоком содержании таких элементов как никель, марганец и некоторые другие кривые распада аустенита очень сильно сдвигаются вправо, а температура начала мартенситного превращения М снижается ниже нуля. Поэтому линия охлаждения, соответствующая процессу нормализации не пересекает ни кривую начала распада аустенита, ни линии мартенситного превращения (рис. 5.1, в).

Микроструктура высоколегированных сталей, содержащих в своем составе большое количество никеля или марганца (или обоих элементов вместе), после нормализации состоит из зерен легированного аустенита.

На рис. 5.2, в показана микроструктура стали 12Х18Н10Т, относящейся к аустенитному классу: видны зерна аустенита с двойниками скольжения. Эта сталь является нержавеющей, так как содержание хрома в ней около 18%, а при содержании хрома более 12% в сталях на поверхности образуется защитная оксидная пленка Cr₂О₃, надежно предохраняющая металл от окисления в морской воде, перегретом и насыщенном паре, в азотной и серной кислотах и в ряде других сред. Ее применяют для изготовления различной аппаратуры в химической, нефтяной и пищевой промышленности. Вследствие хорошей жаростойкости этой стали на воздухе и в выхлопных газах она применяется для изготовления выхлопных патрубков, коллекторов, глушителей и других деталей, отводящих отработанные газы.

Стали аустенитного класса немагнитные, поэтому они применяются в электротехнике и других областях промышленности для изготовления немагнитных деталей повышенной прочности.

Кроме трех перечисленных классов имеются еще два структурных класса легированных сталей: ферритный и ледебуритный.

Стали ферритного класса содержат очень мало углерода и большое количество легирующих элементов (хром, кремний, вольфрам и др.), расширяющих область α-железа на диаграмме состояния. В сталях этого класса структура легированного феррита сохраняется до плавления, так как никаких аллотропических превращений эти стали не претерпевают и поэтому относятся к незакаливающимся. При их нагревании происходит только рост зерна. На рис. 5.3, а показана микроструктура стали ферритного класса марки 1411(Э4). Ее химический состав: не более 0,03% углерода, 3,8-4,8% кремния. Микроструктура состоит из крупных зерен кремнистого феррита. Сталь в виде тонких листов применяется для изготовления сердечников трансформаторов, так как отличается низкой коэрцитивной силой и высоким электросопротивлением, что снижает потери на вихревые токи.

Стали ледебуритного класса содержат большое количество углерода и карбидообразующих элементов (Cr, Мо, W, V ). Характерной особенностью их структуры является наличие ледебуритной эвтектики, состоящей из карбидов и перлита (сорбита, троостита). Возможно образование некоторого количества мартенсита и частичное сохранение аустенита.

а

б

в

 

Рис. 5.3. Микроструктуры легированных сталей: а – a-сталь ферритного класса 1411 (34): зерна кремитного феррита; б – b-сталь ледебуритного класса Р18 литая; ледебуритная эвтектика, остаточный аустенит и продукты распада аустенита (тростосорбит); в – g-сталь Р 18 кованная и термическая обработанная: мартенсит отпущенный и мелкораздробленные карбиды

 

Типичным представителем сталей ледебуритного класса является быстрорежущая сталь марки Р18 следующего химического состава: 0,7... 0,8% углерода; 3,8-4,4% хрома; 17, 5-19% вольфрама и 1, 05-1,4% ванадия. В литом состоянии структура этой стали состоит из остаточного аустенита, ледебуритной эвтектики, представляющей собой смесь сложных карбидов скелетообразного вида, и продуктов распада аустенита – сорбита и троостита (рис. 5.3, б). Ледебуритная эвтетика придает быстрорежущей стали повышенную хрупкость и создает опасность выкрашивания режущей кромки инструмента при ударах в процессе резания. Для устранения хрупкости литую быстрорежущую сталь подвергают горячей обработке давлением (прокатке, ковке), в процессе которой крупные карбиды размельчаются и в виде мелких включений равномерно распределяются в металлической основе.

Для повышения твердости и красностойкости режущих инструментов, из стали Р18 их подвергают закалке при высоких температурах (1280 °С) и двукратному отпуску при 560-580 °С. Структура кованой и термически обработанной стали Р18, показанная на рис. 5.3, в представляет собой чрезвычайно мелкоигольчатый (бесструктурный) мартенсит с равномерно распределенными в нем мелкораздробленными карбидами.

Порядок выполнения работы

Для выполнения работы студентам предоставляется микроскоп и набор микрошлифов сталей 15ХМ, 18ХН4ВА, 12Х18Н10Т, P18 (литой и кованой термически обработанной) и 1411(Э4).

Необходимо:

1. Просмотреть под микроскопом все шлифы набора и зарисовать их микроструктуру;

2. Определить структурный класс стали и стрелками указать на каждом рисунке структурные составляющие;

3) ответить на все вопросы, поставленные в бланке отчета.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается процесс легирования сталей?

2. С какой целью производят легирование Cr, Ni, Мо, W, V?

3. Как обозначаются легирующие элементы в марках сталей?

4. Как влияет процесс легирования на превращения при термообработке?

5. Какие категории сталей Вы знаете?

6. Дайте классификацию легированных сталей.

7. Микроструктура легированных сталей после нормализации?

8. Что такое перлитные стали и их применение? Нарисовать диаграмму.

9. Что такое мартенситные стали и их применение? Нарисовать диаграмму.

10. Что такое аустенитные, ферритные, ледебуритные стали? Нарисовать их диаграммы.

Литература

1. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. Учебник для ВУЗов. 3-е изд. М.: Металлургия, 1983.

2. Материаловедение. Учебник для ВУЗов / Под ред. Б.Н. Арзамасова: М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.

3. Лабораторный практикум по материаловедению. М.: Изд-во МЭИ, 1998.

4. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986.

5. Конструкционные материалы в энергетике / Под ред. В.М. Качалова. М.: Изд-во МЭИ. 1992.

 

Лабораторная работа № 6

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКИХ ТОЧЕК УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

МЕТОДОМ ПРОБНЫХ ЗАКАЛОК

Цель работы

Экспериментальное определение критических точек углеродистой стали методом пробных закалок.

 

Критическими точками называют температурные начала и концы превращений, протекающие в сплавах при нагреве или охлаждении. Для углеродистых сталей, являющихся сплавами железа с различными элементами, среди которых углерод является основной добавкой, и поэтому часто называемых железоуглеродистыми сплавами, наиболее важными критическими точками, определяющими режимы нагрева под различные виды термической обработки (отжиг, закалка, нормализация) или под горячую обработку давлением, являются открытые Д.К. Черновым точки А1 и А3 (буква А - начальная буква латинского слова arret - остановка, индексы 1 и 3 - номера критических точек).

Для того, чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, рядом с буквой А ставят букву с или r (начальные буквы французских слов нагревание и охлаждение соответственно).

Указанные критические точки А1 и А3 соответствуют фазовым превращениям в твердом состоянии, основой которых служит полиморфные или аллотропическое превращение железа.

Положение этих точек для сталей характеризуется линиями диаграммы состояния железо-цементит (рис. 6.1). На линии PSK(727 °С) лежат нижние критические точки, обозначаемые А, а на линии GS (727-911 °С) – верхние, обозначаемые А3.

В процессе нагрева эвтектоидной стали, содержащей 0,8% углерода (рис. 6.1), полное превращение перлита в аустенит происходит при постоянной температуре (727 °С). Для доэвтектоидных сталей, содержащих менее 0,8% углерода и имеющих структуру феррита и перлита, при нагреве до 727 °С перлит превращается в аустенит.

*Перлит – механическая смесь феррита (твердый раствор углерода в
α-железе) и цементита (химическое соединение Fe₃C).

**Аустенит – твердый раствор углерода в φ-железе.

При повышении температуры выше критической точки Ас, (линия PSK на рис. 6.1) феррит растворяется в аустените.

 

Рис. 6.1. «Стальной» участок диаграммы состояния железо-цементит

 

При достижении температуры, соответствующей критической точке Ас∼ этот процесс заканчивается и при температурах выше Ас; структура стали состоит из аустенита.

Для заэвтектоидных сталей, содержащих более 0,8% углерода (до 2,14%) и имеющих структуру перлита и цементита (рис. 6.1), при нагреве до 727 °С перлит превращается в аустенит. Дальнейшее повышение температуры между точками, лежащими на линиях PSK и ES сопровождается растворением цементита в аустените. При температурах выше критической точки Аc _m (линия ЕS на диаграмме) структура стали состоит из одного аустенита.

При медленном охлаждении рассмотренные процессы и превращения протекают в обратной последовательности.

В настоящей работе для определения критических точек применяется метод пробных закалок при различных температурах и замером твердости, являющейся структурно чувствительным свойством.

Критические точки Ас₁, и Ас₃ доэвтектоидной стали, например стали 45 (сплав I, рис. 6.1) определяют следующим образом. Несколько образцов нагревают до различных температур, причем нижняя температура нагрева должна быть заведомо ниже предполагаемой точки Ас₁, а верхняя - заведомо выше предполагаемой точки Ас₃. Все образцы охлаждают в воде (закаливают) и затем измеряют ихтвердость на твердомере Роквелла.

В исходном состоянии микроструктура образцов стали 45 состоит из перлита и феррита. Нагрев до температуры ниже критической точки А r ₁, не приводит к изменению структуры и, следовательно, при охлаждении в воде исходная структура не изменяется. Таким образом, твердость образцов, нагреваемых под закалку до температур ниже А r ₁, не зависит от температуры нагрева.

Состоящая из аустенита и феррита структура образцов, нагретых до температур, лежащих между точками Ас₁, и Ас₃, после охлаждения в воде (скорость выше критической скорости охлаждения) будет состоять из очень твердого мартенсита (пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе) и феррита, имеющего значительно меньшую твердость.

Подобный режим нагрева и охлаждения называется неполной закалкой, твердость после которой будет выше, чем после нагрева до температур ниже точки Ас.

Относительное количество феррита и мартенсита после охлаждения в воде изменяется в зависимости от температуры нагрева под закалку в интервале температур Ас, Асд. Чем ниже эта температура, т.е. чем меньше превышает она точку Ас, тем меньше аустенита и больше феррита в структуре образцов, а после охлаждения меньше мартенсита и больше феррита, и, следовательно, тем ниже твердость (рис. 6.2).

 

 

Рис. 6.2. Зависимость твердости от температуры нагрева под закалку (схема)

 

Микроструктура образцов, нагретых выше верхней критической точки Ас₃, представляет собой аустенит, а после закалки – мартенсит. Твердость этих образцов максимальна и практически не зависит от температуры нагрева (если температура перегрева над Ас₃ не слишком высока).

После измерения твердости всех образцов на твердомере Роквелла строят график зависимости твердости HRA от температуры нагрева под закалку (рис. 6.2). По вертикали откладывают твердость закаленных образцов, а по горизонтали – температуры нагрева под закалку. Полученная зависимость позволяет определить критические точки Ас₁, и Ас₃. Точке Ас, соответствует температура, от которой начинает повышаться твердость закаленных образцов, а в точке Ас₁ – температура, при которой достигается максимальная твердость после закалки.

 

Порядок выполнения работы

 

Для проведения работы студентов разбивают на четыре бригады, каждой из которых выдают по три образца из стали 45 и указывают температуры нагрева под пробную закалку: первой бригаде – 680, 720, и 730 °С; второй – 750, 770 и 790 °С; третьей – 800, 815, 830 °С; четвертой – 840, 860 и 900 °С.

Каждой бригаде предоставляются муфельная электрическая печь соп- ротивления, термопара с гальванометром, щипцы, бачок с водой и твердомер Роквелла.

Для выполнения работы необходимо:

1. Установить в печи нижнюю из трех заданных температур, регулируя температуру при помощи трансформатора или реостата;

2. Загрузить все три образца в печь и выдержать их при температуре нагрева первого образца (самой низкой) в течение 10 мин. Далее закалить один из образцов так, как указано в п. 3. После этого повысить температуру печи до температуры закалки второго образца, выдержать образцы в печи в течение 7 мин. и закалить один из двух оставшихся образцов, далее повысить температуру до температуры нагрева третьего образца, выдержать образец в течение 5 мин, и закалить его;

3. Закалку производить следующим образом: взять образец щипцами, быстро опустить в воду и охладить, энергично перемещая его в воде;

4. Зачистить образцы с двух сторон до металлического блеска и измерить твердость на приборе Роквелла, вдавливая конус из твердого сплава под нагрузкой 600 Н. Расстояние отпечатка от края образца или от другого отпечатка должно быть не менее 2,5 мм. Средний из трех измерений результат записать на доске;

5. На основании работы всех бригад заполнить второй и третий столбцы таблицы п. 4 отчета;

6. По полученным всеми бригадами данным построить в п. 5 отчета график зависимости твердости от температуры нагрева под закалку;

7. По графику определить критические точки Ас и Ас₃.

8. По положению критических точек Ас, и Аса определить микро- структуры образцов после закалки с разных температур.

 

Контрольные вопросы

 

1. Какие критические точки процесса превращения сталей открыты Д.И. Черновым?

2. Что такое перлит?

3. Что такое аустенит и феррит?

4. Какую структуру имеют доэвтектоидные стали?

5. Какую структуру имеют заэвтектоидные стали?

6. Какой метод применяется для определения критических точек?

7. Какие температуры соответствуют критическим точкам на диаграмме Fe–C?

8. Что такое Ac₁, Ac₂, Ac₃ и A r ₁, A r ₂, A r ₃?

9. Как определяется твердость по Бриннелю, Роквеллу, Виккерсу?

10.Как производят закалку?

 

Литература

 

1. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. Учебник для ВУЗов. 3-е изд. М.: Металлургия, 1983.

2. Материаловедение: Учебник для ВУЗов / Под ред. Б.Н. Арзамасова М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.

3. Лабораторный практикум по материаловедению. М.: Изд-во МЭИ, 1998.

4. Конструкционные материалы в энергетике / Под ред. В. М. Качалова. М.: Изд-во МЭИ, 1992.

 

Лабораторная работа № 7

 

МИКРОСТРУКТУРА ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

НА ИХ ОСНОВЕ

 

Цель работы

 

Изучить основные свойства и области применения меди, алюминия и сплавов на их основе, а также сплавов на основе олова и свинца; освоить методики определения микроструктуры цветных металлов и сплавов; научиться расшифровывать марки цветных металлов и сплавов.

 

Медь и ее сплавы

 

Медь достаточно тяжелый металл (g = 8, 9 г/см³) с кристаллической решеткой ГЦК, имеющий температуру плавления 1083 °С. Чистая медь имеет ряд ценных технических свойств. Она отличается высокой тепло- и электропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью. По электропроводности медь занимает второе место после серебра, что обусловливает ее преимущественное применение в электротехнике в качестве материала для проводников электрического тока. По теплопроводности медь также уступает только серебру и широко используется в различного рода теплообменниках.

Медь обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью: предел прочности отожженной меди составляет 200 МПа, предел текучести
80 МПа, поперечное сужение 80... 95%, относительное удлинение 35%.

Марки меди обозначаются прописной буквой М, справа от которой ставится номер: МОО(99,99% Cu), МО (99,95% Cu), М1 (99,9% Cu),...,
М4 (99,0% Cu). Чем чище медь, тем меньше ее номер. Все примеси снижают электропроводность меди. Для проводников тока применяется чистая медь марок МО, М1, а в электронике и электровакуумной технике – бескислородная медь МО6 (99,97% Cu) и медь вакуумной очистки МОО.

На рис. 7.1 показана микроструктура отожженной меди. Зерна меди имеют форму неправильных многогранников с двойниками скольжения, характерными для высокопластичных металлов с решеткой ГЦК.

В качестве конструкционного материала медь не получила применения из-за низкой прочности. Сплавы на основе меди (латуни и бронзы) имеют более высокие прочностные свойства и широко применяются в машиностроении.

 

Рис. 7.1. Микроструктура отожженной меди: зерна меди с двойниками скольжения

Латуни

Латуни – сплавы меди с цинком. В технике применяют латуни с содержанием цинка до 45%. При содержании цинка до 39% латуни однофазны: микроструктура состоит из α-твердого раствора цинка в меди. Такие латуни пластичны, отличаются высокой технологичностью, легко поддаются горячей и холодной обработке давлением.

При увеличении содержания цинка от 39 до 45% структура латуней двухфазная: α+ β¢, где β¢ – твердый раствор на основе химического соединения CuZn. Структура двухфазных латуней в литом состоянии состоит из светлых кристаллов a-фазы и темных β¢-фазы (рис. 7.2). Двухфазные латуни из-за наличия в структуре твердой β¢-фазы менее технологичны, чем однофазные α – латуни. Они подвергаются горячей обработке давлением, так как мало пластичны в холодном состоянии.

 

 

Рис. 7.2. Микроструктура латуни Л59 в литом состоянии: дендриты α- и β¢- фаз

Латуни маркируют буквой Л, за которой следует цифра, показывающая среднее содержание меди в сплаве. Например латунь марки Л62 содержит 62% меди и, следовательно, 38% цинка.

Кроме двухкомпонентных латуней (сплавов меди и цинка) применяют специальные латуни, которые содержат дополнительно один или несколько элементов. Легирующие элементы имеют буквенное обозначение: А – алюминий, Ж – железо, К – кремний, Н – никель, Мn – марганец, О – олово, С – свинец. Числа, проставленные в той же последовательности, что и соответствующие буквы, показывают процентное содержание меди и легирующих элементов. Например: латунь марки ЛАЖ60-1-1 имеет следующий химический состав: Cu – 60%, Al – 1%, Fе – 1%, остальное Zn. Легирующие элементы (кроме свинца) увеличивают прочность и твердость латуни, Al, Si, Ni повышают сопротивление коррозии. Свинец улучшает обрабатываемость латуней резанием. Алюминиевые латуни обладают повышенной коррозионной стойкостью, из-за образования на поверхности плотной защитной окисной пленки А1О₃.

Латуни применяются для изготовления деталей масло- и воздухоохла- дителей. трубок конденсаторов. уплотнительных сегментов турбин, работающих при температурах ниже 300 °С, а также для изготовления корпусов кранов, тройников, шпилек, штуцеров, болтов и других деталей. Несмотря на худшую по сравнению с медью электропроводность, латуни марок Л68 и Л62, вследствие их меньшей стоимости, идут на изготовление некоторых токоведущих деталей.

Бронзы

Бронзами называют сплавы меди с другими металлами, кроме цинка. Цинк может входить в состав бронз, как добавка, но не является основным компонентом.

Бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошо обрабатываются резанием, имеют хорошие литейные и высокие антифрикционные свойства. Бронзы превосходят латуни в прочности и сопротивлении коррозии, особенно в морской воде.

Маркируются бронзы следующим образом: индекс Br означает название сплава – бронза. Следующие за ним буквы указывают на наличие легирующих элементов, а цифры – их содержание в сплаве (в процентах). Например, бронза марки BrОФ10-1 имеет следующий химический состав: Sn – 10%, Р – 1%; остальное Cu.

Исходя из химического состава, бронзы делятся на оловянные и безоловянные.

Оловянные бронзы

 

Бронзы, содержащие менее 6% олова, имеют в литом состоянии однофазную структуру с–твердого раствора олова в меди. Структура сплавов с 6... 10% Sn в литом состоянии – дендриты α-твердого раствора и участки эвтектоида α + δ между ними (δ-твердый раствор на основе химического соединения Сu₃₁, Sn₈) (рис. 7.3). С увеличением содержания олова свыше 10%, вследствие присутствия в структуре значительного количества хрупкого соединения Сu₃₁, Sn₈, пластичность оловянных бронз резко снижается.

Однофазные бронзы относятся к деформируемым. Из них изготавливают прутки, ленту, проволоку, пружины, мембраны. Примером может служить бронза БрОФ4-0,25.

Двухфазные бронзы не прокатываются и не куются из-за наличия хрупкой δ-фазы и применяются только в литом виде. Высокие литейные свойства бронз определяются их малой усадкой (менее 1%, тогда как усадка латуней и чугуна 1,5%, сталей – более 2%).

 

 

Рис. 7.3. Микроструктура бронзы БрОФ10-1 в литом состоянии: дендроды
α-твердого раствора (белого цвета) и эвтектоид α + Cu₃₁Sn₈ (темный) между ними

 

Одной из наиболее широко применяемых литейных бронз является бронза БрОФ10-1. Она отличается высокой коррозионной стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами. Эта бронза применяется для деталей, работающих в условиях сильного износа при статических и ударных нагрузках: фрикционные и зубчатые колеса, венцы червячных колес, вкладыши тяжело нагруженных подшипников и др.

Безоловянные бронзы

К безоловянным бронзам относят сплавы меди с алюминием, кремнием, бериллием и другими элементами.

Алюминиевые и кремнистые бронзы дешевле оловянных и вместе с темпревосходят их по ряду качеств. Алюминиевые бронзы БрАЖ9-4, БрАЖН10-4-4 имеют более высокие прочностные свойства. Кремнистые бронзы БрКМц3-1, БрКН1-3, благодаря высоким механическим свойствам, упругости и хорошей коррозионной стойкости, применяют для изготовления пружин, пружинящих деталей, работающих при температурах до 250 °С в пресной и морской воде.

Бериллиевые бронзы (например, БрБ2) характеризуются высокими механическими свойствами, коррозионной стойкостью, отличной износостойкостью. Эти сплавы имеют высокую электро- и теплопроводность и могут работать в интервале температур от –200 до +250 °С. Бериллиевые бронзы применяют для ответственных деталей: мембраны, пружины детали, работающих на износ (кулачки полуавтоматов) и т.д. Широкому применению бериллиевых бронз препятствуют высокая стоимость и токсичность бериллия.

Алюминий и его сплавы

Алюминий - металл с кристаллической решеткой ГЦК, имеющий температуру плавления 658 °С. Характерными свойствами алюминия являются малый удельный вес g¢ = 2,72 г/см³ (он почти в 3 раза легче стали, у которой
g = 7, 8 г/см³), высокая тепло- и электропроводность (около 60% от электропроводности меди). Высокая электропроводность алюминия обусловливает широкое применение его для проводников электрического тока.

Алюминий обладает высокой стойкостью против атмосферной коррозии (она примерно в 20 раз больше, чем у стали), что объясняется образованием на его поверхности окисной пленки А1₂О₃, защищающей его от взаимодействия с окружающей средой. Алюминий характеризуется малой прочностью и высокой пластичностью: предел прочности прокатанного и отожженного алюминия 60 МПа, предел текучести 20 МПа, относительное удлинение 40%. Алюминий отличается высокой технологичностью, хорошо деформируется прокаткой.

Маркируют алюминий буквой А, за которой следует число, соответствующее содержанию алюминия сверх 99%. Например в алюминии высокой чистоты А995 содержится 99,995% А1, в алюминии технической чистоты
А5 – 99,5%. Основными примесями, загрязняющими алюминий, являются железо и кремний.

Алюминиевые деформируемые сплавы

 

Алюминиевые сплавы в зависимости от технологии изготовления из них деталей делятся на две группы: деформируемые и литейные. Деформируемые алюминиевые сплавы в свою очередь подразделяются на сплавы, не упрочняемые термической обработкой, и сплавы, упрочняемые термической обработкой.

К деформируемым, термически не упрочняемым сплавам, относятся сплавы алюминия с марганцем и магнием. Содержание марганца в этих сплавах не превышает 1,6%, а содержание магния находится в пределах от 2 до 7%.

Маркируются сплавы этой группы буквенными обозначениями АМn и АМg, где индекс Мn означает марганец, а Mg – магний. Цифры, следующие за буквами, показывают содержание второго компонента в процентах. Например сплав алюминия с магнием АМg 6 содержит 6% магния.

Структура рассматриваемых сплавов представляет собой твердый раствор марганца (или магния) в алюминии. Поскольку содержание этих элементов в сплавах меньше предела их растворимости в твердом растворе при комнатной температуре, то оно остается неизменным при нагреве и охлаждении сплавов. Поэтому такие сплавы не упрочняются термической обработкой, а упрочняются наклепом при обработке давлением.

Среди сплавов, упрочняемых термической обработкой, наиболее распространенными являются дюралюмины - сплавы системы Al-Cu-Mg, содержащие 4-5% меди и 0,5-1,5% магния.

В марках этих сплавов буквой Д обозначено название сплава – дюралюмин, за ней следует цифра или число, показывающие порядковый номер сплава в ГОСТе (например Д1, Д16).

Микроструктура дюралюмина в отожженном состоянии состоит из
α-твердогораствора меди и магния в алюминии и включений химических соединений CuAl₂, Al₂ CuMg (рис. 7.4).

Максимальную прочность дуралюмины приобретают после термической обработки, заключающейся в закалке и старении. Так, для сплава Д 16 предел прочности в отожженном состоянии равен 200 МПа; после закалки он составляет 250 МПа, а после закалки и старения значительно возрастает, достигая 400 МПа.

Естественное старение заключается в выдержке (вылеживании) закаленного материала при комнатной температуре в течение нескольких суток; при искусственном старении сплав нагревают до температуры 100-150 °С, а время выдержки сокращается до 10-20 час.

 

 

Рис. 7.4. Микроструктура отожженного дуралюмина Д1: белые зерна α-твердого раствора и включения интерметаллидов CuAl₂ (темные точечные внутри зерен и твердого раствора)

 

Широкое применение дуралюмины нашли в авиастроении, где из них изготавливают обшивки и шпангоуты самолетов, а также при изготовлении строительных конструкций, кузовов грузовых автомобилей и т.д.

Литейные алюминиевые сплавы

Литейные сплавы должны отвечать ряду технологических требований: обладать хорошей жидкотекучестью, т.е. способностью хорошо заполнять литейную форму; не иметь склонности к ликвации, т.е. иметь однородный химический состав по сечению всего слитка и отдельных кристаллов; обладать малой усадкой; иметь низкую склонность к образованию трещин при кристаллизации.

Наиболее распространенными литейными алюминиевыми сплавами являются силумины – сплавы алюминия с кремнием с содержанием кремния 8-13%. Применяемые в промышленности силумины относятся к эвтектическим сплавам со структурой (α + Si) или доэвтектическим, структура которых состоит из первичных кристаллов α и эвтектики (α + Si).

Механические свойства силуминов можно повысить путем измельчения кристаллов кремния, входящих в состав эвтектики. Это может быть достигнуто модифицированием, т.е. введением в расплав малых добавок (сотые доли процента) натрия или лития. Измельчение структуры эвтектики приводит к улучшению механических свойств. Так, предел прочности немодифицированного силумина составляет 140 МПа при относительном удлинении 3%, а у модифицированного σ_в = 180 МПа, а δ = 10%.

Микроструктура не модифицированного силумина показана на рис. 7.5, а модифицированного на рис. 7.6.

 

 

Рис. 7.5. Микростуктура немодифицированного силумина АЛ2: грубая эвтектика (a + Si) c крупными игольчатыми включениями кремния

 

 

Рис. 7.6. Микроструктура модифицированого силумина АЛ₂ : зерна α –твердого раствора (белые) и дисперсная эвтектика (α + Si) между ними

 

Маркируют силумины буквенным обозначением АЛ: А означает, что сплав алюминиевый, Л – литейный; далее следует цифра или число, показывающие порядковый номер сплава в ГОСТе (АЛ2, АЛ9, АЛ32 и т.д.). Силумины широко применяются для изготовления литых деталей сложной формы: кронштейнов, блоков цилиндров двигателей, корпусов компрессоров и др.

Подшипниковые антифрикционные сплавы

Подшипниковыми сплавами называют сплавы, из которых изготавливают вкладыши подшипников скольжения. Для этой цели применяют чугун, бронзу и легкоплавкие сплавы на основе свинца, олова и алюминия, так называемые баббиты.

К подшипниковым материалам предъявляют следующие требования: небольшой коэффициент трения, способность работать при достаточно высоких нагрузках и высокая износостойкость.

К легкоплавким подшипниковым сплавам относятся сплавы системы Pb-Sb, Sn-Sb, Pb-Sn-Sb. Лучшим антифрикционным сплавом является баббит марки Б83, содержащий 83% олова, 11% сурьмы, 6% меди. Структура этого сплава состоит из мягкой основы α-твердого раствора сурьмы и меди в олове и твердых включений химических соединений Cu₃Sn и SnSb. В процессе работы твердые включения служат опорой для вращающегося вала, а мягкая основа, срабатываясь при трении, способствует образованию зазора, по которому поступает смазка. Это обеспечивает низкий коэффициент трения в подшипнике.

Микроструктура баббита Б83 приведена на рис. 7.7. Темная основа представляет собой α-твердый раствор сурьмы и меди в олове. Светлые кристаллы квадратной формы являются соединением SnSb, а кристаллы игольчатой формы – соединением Cu₃Sn Баббит Б83 применяется в энергомашиностроении для заливки вкладышей и упорных колодок подшипников паровых и газовых турбин, компрессоров, вкладышей.

 

 

Рис. 7.7. Микроструктура баббита Б83: основа – твердый раствор α и кристаллы SnSb и Cu₃Sn

 

Порядок выполнения работы

 

Для проведения работы студенту предоставляются микроскоп и набор микрошлифов цветных металлов и сплавов.

Необходимо:

1. Просмотреть под микроскопом все шлифы, зарисовать наблюдаемую микроструктуру и стрелками указать на зарисовках структурные составляющие сплавов;

2. По микроструктуре определить состояние сплавов: литое (модифицированное или немодифицированное), деформированное или отожженное;

3. Изучить маркировку цветных металлов и сплавов, привести примеры марок из ГОСТа наиболее распространенных в технике цветных металлов и сплавов;

4. Ответить на все вопросы бланка отчета.

 

Контрольные вопросы

 

1. Принципы классификации цветных металлов?

2. Что такое латунь. Ее маркировка. Применение?

3. Что такое бронза. Ее маркировка. Применение?

4. Классификация латуни и бронз?

5. Микроструктура латуней и бронз?

6. Какие сплавы алюминия Вы знаете?

7. Какие из применяемых алюминиевых сплавов являются литейными?

8. Какие из применяемых алюминиевых сплавов являются деформированными?

9. Какие сплавы меди и алюминия используются в качестве проводниковых материалов в электроэнергетике?

10. Какие металлы используются для подшипников скольжения?

 

Литература

 

1. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. Учебник для ВУЗов. 3-е изд. М.: Металлургия, 1983.

2. Материаловедение: Учебник для ВУЗов / Под ред. Б.Н. Арзамасова М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.

3. Лабораторный практикум по материаловедению. М.: Изд-во МЭИ, 1998.

4. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986.

 

Лабораторная работа № 8

 

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Цель работы

Практическое освоение основных операций термической обработки углеродистых сталей.

 

Основными видами термической обработки (ТО) углеродистых сталей являются: 1) отжиг на мелкое зерно; 2) нормализация; 3) одинарная термическая обработка; 4) закалка; 5) отпуск (после закалки).

Первым этапом при проведении первых четырех видов ТО является нагрев сталей до оптимальных температур: доэвтектоидных – на 30-50 °С выше линии GS, т.е. А₃ + (30-50) °С, а эвтектоидной и заэвтектоидных – на 30-50 °С выше линии PSK т.е. А₁ + (30-50) °С (рис. 8.1). В результате фазовой перекристаллизации стали приобретают структуру мелкозернистого аустенита, причем в заэвтектоидных сталях сохраняются еще и включения вторичного цементита.

 

 

Рис. 8.1. Оптимальный интервал температур нагрева углеродистых сталей для получения мелкозернистого аустенита

 

После выдержки при этих температурах для полного завершения фазовой перекристаллизации и диффузионного выравнивания содержания углерода в мелкозернистом аустените следует охлаждение с заданной скоростью. При этом из мелкозернистого аустенита образуются и мелкозернистые структуры продуктов его превращения, что является необходимым условием достижения оптимальных механических свойств. Эти структуры определяются по соответствующим диаграммам превращения переохлажденного аустенита (рис. 8.2).

 

 

Рис. 8.2. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной стали с графиками скоростей охлаждения (П –перлит,
С – сорбит, Т – тростит, М – мартенсит)

 

При относительно небольших скоростях охлаждения V ₁, V _2, V ₃ в верхнем районе температур (727-550 °С) происходит диффузионное перлитное превращение – распад переохлажденного аустенита на структуры перлитного типа: перлит, сорбит или троостит. Они представляют собой феррито-цементитные смеси разной степени дисперсности (измельченности) пластинчатого строения, т.е. в них частицы цементита имеют форму пластинок. Самой грубой смесью является перлит, а самой дисперсной (и потому самой твердой и прочной из них) – троостит, так как он об разуется при большей степени переохлаждения.

В доэвтектоидных сталях перлитному превращению предшествует вы- деление из аустенита феррита, а в заэвтектоидных – цементита, количество которых с понижением температуры уменьшается до нуля в районе выступа левой С-образной кривой диаграммы превращения переохлажденного аустенита.

При высоких скоростях охлаждения, равных или больших V _кр, например, V ₅, диффузионный распад аустенита подавляется и он переохлаждается до интервала температур М_н-M_к (М_н – температура начала, а М_к – конца мартенситного превращения) (рис. 8.2). По мере охлаждения от М_н до М_к происходит бездиффузионное превращение аустенита в предельно неравновесную структуру – мартенсит. Он представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе с тетрагональной кристаллической решеткой и обладает высокими твердостью и хрупкостью из-за сильного перенасыщения углеродом. Происходит закалка стали. Минимальная скорость охлаждения, необходимая для преобразования переохлажденного аустенита в мартенсит, называется критической скоростью закалки (рис. 8.2, V _кр – кривая охлаждения, касательная к выступу С-образной кривой).

Охлаждение со скоростью V ₄ приводит к образованию структуры троостит + мартенсит (рис. 8.2).

 

Назначение и условия проведения основных видов

термической обработки

 

1. Отжиг на мелкое зерно является разупрочняющей (смягчающей) ТО. Он заключается в нагреве сталей до оптимального интервала температур (рис. 8.1), выдержке и медленном охлаждении (обычно с печью; скорость охлаждения V (рис. 8.2). После отжига получается равновесная мелкозернистая структура феррита и перлита в доэвтектоидных сталях, перлита в эвтектоидной стали и перлита с разрозненными включениями вторичного цементита в заэвтектоидных сталях. Отжиг на мелкое зерно, как правило, является предварительной ТО. Его цель – устранение структурной неоднородности и крупнозернистости, отрицательно влияющих на технологические свойства; максимальное снижение твердости и повышение пластичности для улучшения обрабатываемости (резанием, давлением). При отжиге полностью снимаются внутренние напряжения.

2. Нормализация доэвтектоидных сталей проводится так же, как отжиг на мелкое зерно, но сталь охлаждается ускоренно на спокойном воздухе (скорость V ₂ на рис. 8.2). После этой ТО доэвтектоидные стали состоят из мелкозернистого феррита и сорбитообразного перлита, придающего стали повышенную твердость и прочность. Поэтому нормализация может использоваться либо вместо отжига на мелкое зерно (как более производительная обработка), если возрастание твердости и прочности находится в допустимых пределах, либо как слабая упрочняющая ТО для неответственных изделий.

Заэвтектоидные стали подвергают нормализации с целью устранения сплошной цементитной сетки по границам зерен перлита. Но в отличие от отжига процесс ведут от температуры А c _т + (30-50) °С. При этой ТО зерна аустенита и соответственно зерна перлита оказываются крупными, поэтому после нее необходимо выполнить отжиг на мелкое зерно.

3. Одинарная термическая обработка применяется сравнительно редко, как более сильная, чем нормализация, упрочняющая ТО доэвтектоидных сталей. Она осуществляется так же, как отжиг на мелкое зерно, но сталь охлаждают быстро, например, в горячей воде или струей сжатого воздуха (скорость V ₃на рис. 8.2). Образующиеся пластинчатые структуры сорбита или троостита с небольшим количеством избыточного феррита или без него придают стали более высокую прочность, твердость и износостойкость по сравнению с этими свойствами в нормализованном состоянии.

4. Закалка проводится так же, как отжиг на мелкое зерно, но сталь охлаждают очень быстро, со скоростью больше критической (в воде или в минеральном масле; например скорость V ₅ на рис. 8.2). После закалки структура доэвтектоидных и эвтектоидной сталей состоит из мартенсита, а заэвтектоидных – из мартенсита и включении вторичного цементита. Мартенсит – основная структура закаленной стали, которая обусловливает максимальное повышение ее твердости. Однако закаленная сталь практически неработоспособна из-за высокой хрупкости, присущей мартенситу, и высокого уровня закалочных напряжений, которые возникают из-за очень быстрого охлаждения и могут вызвать коробление детали или даже появление в ней трещин. Поэтому после закалки проводится заключительная операция термической обработки – отпуск.

5. Цель отпуска – снизить уровень остаточных закалочных напряжений и получить работоспособные структуры и соответствующие им свойства – твердость, износостойкость, прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали ниже температуры А, довольно продолжительной выдержке (в среднем от 0,5 до 2-3 часов) для завершения диффузионных процессов формирования той или иной окончательной структуры отпуска и последующем охлаждении (обычно на воздухе), скорость которого, в отличие от других операций ТО, не влияет на сформировавшуюся в процессе выдержки структуру.

Различают низкий (150-250 °С), средний (350-400 °С) и высокий (500-650 °С) отпуск.

При низком отпуске вследствие частичного выделения из кристаллической решетки мартенсита избыточного углерода в виде высокодисперсных карбидов и уменьшения внутренних напряжений, хрупкость стали несколько снижается, а ее твердость изменяется незначительно. Мартенсит, обедненный углеродом при отпуске, называется мартенситом отпуска и представляет собой уже достаточно работоспособную структуру. Низкому отпуску подвергаются изделия, которые должны быть твердыми и износостойкими: режущие инструменты, цементованные, цианированные, поверхностно-закаленные детали.

При среднем отпуске мартенсит распадается уже полностью на троостит отпуска зернистого строения (кристаллы цементита в нем имеют округлую форму), а внутренние напряжения значительно снижаются. Сталь с такой структурой характеризуется меньшей твердостью, высокой упругостью при повышенной пластичности и ударной вязкости. Поэтому средний отпуск применяют для получения упруговязких изделий – пружин, рессор, торсионов, мембран и др.

При высоком отпуске получается структура сорбита отпуска зернистого строения, а оставшиеся после закалки внутренние напряжения почти полностью снимаются. Твердость и прочность сорбита отпуска ниже, чем у троостита отпуска, но выше, чем у структур, получаемых после нормализации и тем более после отжига. В то же время сорбит отпуска имеет высокую пластичность и максимально возможную ударную вязкость. Поэтому высокий отпуск применяют для получения изделий с максимально высокой вязкостью и повышенной прочностью – ответственных тяжело нагруженных деталей, работающих в условиях высоких статических, динамических и знакопеременных нагрузок.

В работе необходимо исследовать влияние скорости охлаждения из аустенитного состояния и температуры отпуска на структуру и свойства стали марки 45.

Описание установок

1. Электропечь лабораторная (рис. 8.3) состоит из металлического корпуса 1, в верхней части которого смонтирована рабочая камера, а в нижней пусковая и контрольно-регулирующая аппаратура. Рабочее простр