УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
7.1 Цель работы: изучить микроструктуры термически и химико–термически обработанных углеродистых сталей и установить связь между структурой, термической обработкой и механическими свойствами стали.
7.2 Задание
7.2.1 По литературным источникам [1, 2] изучить основные виды термической и химико-термической обработки углеродистых сталей, микроструктуры стали, получаемые после различных видов термической обработки и механические свойства, которые сталь приобретает после нее.
7.2.2 Студенты получают комплект шлифов, таблицу с указанием химсоставов, режимов термической обработки и альбом микрофотографий структур изучаемых сталей.
7.2.3 Студенты должны изучить с помощью оптического микроскопа по порядку номеров все шлифы коллекции. При этом в каждом случае необходимо произвести сравнения структуры шлифа стали при визуальном наблюдении с одноименной структурой альбома. Номер образца в коллекции шлифов соответствует номеру микрофотографии этой структуры в альбоме. После каждого просмотра структуры образца студенты должны зарисовать условно изученную ими структуру и указать структурные составляющие, механические свойства стали и увеличение.
7.2.4 Ответить на индивидуальный вопрос.
7.2.5 Составить отчет.
7.3 Общие положения
Термическая обработка заключается в нагреве, выдержке и охлаждении металлов и сплавов по определенным режимам с целью получения определенных механических и технологических свойств.
Различают, в основном, следующие виды термической обработки стали: отжиг, закалку, отпуск и нормализацию. Структуры стали, полученные после различных видов термической обработки (за исключением отжига), являются неуравновешенными (метастабильными), а поэтому определить их на основании диаграммы состояния железо-цементит нельзя. Диаграмма состояния дает возможность определить температурный интервал, в котором необходимо производить нагрев стали, и каким видам термической обработки может быть подвергнута сталь. Влияние скорости охлаждения после нагрева и условия образования тех или иных структур после термической обработки обусловлено диаграммой изотермического превращения переохлажденного аустенита (С-образной диаграммой) (рис. 7.1.).
Рис. 7.1. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита углеродистой стали (на рисунке схематично нанесены кривые охлаждения в различных средах: VВ – охлаждение на воздухе; VМ – охлаждение в масле; VКР – критическая скорость закалки; VЗ – охлаждение в воде).
В результате того или иного вида термической обработки образуется следующие структуры.
Мартенсит (М) – пересыщенный твердый раствор углерода в решетке a - Fe. Мартенсит, обладающий наибольшим удельным объемом, характеризуется очень высокой твердостью (порядка 500-700 НВ в зависимости от содержания углерода) и почти полным отсутствием пластичности. Различают мартенсит закалки и мартенсит отпуска. Первый получается непосредственно после закалки стали и имеет кристаллическую решетку со значительной степенью тетрагональности. Мартенсит отпуска образуется после низкотемпературного отпуска. С повышением температуры отпуска степень тетрагональности уменьшается и при 3000С решетка становится кубической в связи с практически полным выделением углерода из пересыщенного a - твердого раствора.
Аустенит остаточный (Аост.). В закаленной на мартенсит стали, в зависимости от содержания углерода, может сохраняться некоторое количество непревратившегося аустенита, причем, чем больше содержание углерода в стали, тем больше количество непревратившегося в мартенсит аустенита. Такой аустенит называется остаточным. По своей природе он ничем не отличается от обычного аустенита и под микроскопом виден в виде светлых нетравящихся зерен.
ТроОстит – механическая смесь высокодисперсных частиц цементита и феррита.
При закалке троостит является продуктом распада аустенита на механическую смесь, а при отпуске – продуктом распада мартенсита. В первом случае он имеет название троостита закалки, во втором – троостит отпуска. Форма цементита в троостите закалки - пластинчатая, а в троостите отпуска - зернистая.
Твердость троостита 300-400 НВ.
Сорбит – механическая смесь цементита и феррита, но более грубого строения, чем троостит. Различают также сорбит закалки и сорбит отпуска. Форма цементита в сорбите закалки – пластинчатая, а в сорбите отпуска – зернистая. Твердость сорбита 250-300 НВ.
Химико-термической обработкой (поверхностным легированием) называют обработку, заключающуюся в сочетании термического и химического воздействия на металлы и сплавы для изменения химического состава структуры и свойств в поверхностных слоях.
Химико-термическая обработка (ХТО) сводится к диффузионному насыщению поверхностного слоя стали неметаллами (углерод, азот и др.) или металлами (хром, алюминий и др.) в процессе выдержки при определенной температуре в активной жидкости или газовой среде.
В зависимости от элементов, насыщающих поверхностные слои, химико-термическая обработка называется: цементацией, азотированием, нитроцементацией, цианированием, борированием, силицированием, алюминированием, хромированием и др.
Цементацией (науглераживанием) называется ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде-карбюризаторе. Как правило, цементацию проводят при температурах выше 930-9500С, когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в большом количестве.
Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации.
Назначение цементации и последующей термической обработки – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении.
Для цементации обычно используют низкоуглеродистые (0,1-0,18 % С), а чаще легированные стали. Для цементации крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2-0,3%). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки. Глубина цементованного слоя обычно равна 1-2 мм и наибольшее содержание углерода 0,8-1,2%.
7.4 Порядок выполнения работы
Для выполнения этой работы выбраны доэвтектоидная сталь 45 с содержанием углерода 0,45% и заэвтектоидная – У12 с 1,2% С, которые подвергались различным видам термической обработки (таблица 7.1.).
Химико-термическая обработка изучается на примере углеродистой стали обыкновенного качества Ст3 с содержанием углерода 0,14-0,22 %.
Студенты должны изучить влияние температуры нагрева и скорости охлаждения на структуру стали.
На первых двух шлифах студенты знакомятся со структурой стали 45 после отжига при температуре 8200С (рис.7.2.) и после отжига при 10000С (рис.7.3.). Отжигом называется вид термической обработки, когда нагрев стали производится до температуры выше фазовых превращений с выдержкой при этой температуре и последующего медленного охлаждения (обычно вместе с печью).
| 
|
| Рис. 7.2. Сталь с 0,45%С после отжига при 8300 С. Феррит и перлит. х450 | Рис. 7.3. Сталь с 0,45%С после отжига при 10000 С. Феррит и перлит. (Видманштеттова структура) х450 |
На рис.7.2. представлены микроструктура стали 45 после правильно проведенного полного отжига (нагрев выше АС3+20-500С), в результате чего структура состоит из сравнительно мелких равноосных зерен феррита и перлита. В случае нагрева стали до более высоких температур (»10000С) структурные составляющие будут феррит и перлит (рис. 7.3.), но зерна получаются очень крупные со своеобразным расположением структурных составляющих. Такая структура называется видманштеттовой и получается в результате неправильно проведенного отжига (отжиг с перегревом). Структуру, полученной при отжиге стали, можно исправить повторным отжигом с оптимальных температур.
На рис.7.4., 7.5. и 7.6. представлены микроструктуры стали 45 после закалки в воде, но нагрев стали был произведен при различных температурах. Так на рис.7.4. показана структура правильно закаленной стали
(закалка от температуры 8200С). Сталь имеет структуру мелкоигольчатого мартенсита.
| 
|
| Рис. 7.4. Сталь с 0,45%С после закалки с 8300 С в воде. Мартенсит. х450 | Рис. 7.5. Сталь с 0,45%С. Неполная закалка с 7700 С. Мартенсит и феррит. х450 |
На рис.7.5. структура стали состоит из светлых участков (феррит) и темного поля (мартенсит). Такая структура у стали 45 может получена в случае неполной закалки от температуры 7700С. Наличие феррита, имеющего небольшую твердость, в закаленной стали, снижает ее твердость, поэтому такой вид закалки для ответственных деталей рекомендовать нельзя.
Структура стали после закалки от температуры 10000С состоит из крупных игл мартенсита (рис.7.6.). Такой режим закалки неприемлем для конструкционной стали, т.к. после окончательной термической обработки (отпуска), эта сталь будет иметь более низкие характеристики механических свойств, особенно ударную вязкость.
На рис.7.7. приведена микроструктура после закалки стали 45 от оптимальной температуры 8200С в масле. В связи с тем, что масло не обеспечивает для этой стали критическую скорость закалки, структура состоит из троостита в виде темных участков, расположенных в основном по границам бывших аустенитных зерен и мартенсита.
| |||||||||||
| Рис. 7.6. Сталь с 0,45%С после закалки с 10000 С в воде. Крупноигольчатый мартенсит. х450 | Рис. 7.7. Сталь с 0,45%С после закалки с 8300 С в воде. Мартенсит и троостит. х450 |
Сталь 45 является конструкционной, идущей для изготовления деталей машин, должна обладать высоким комплексом механических свойств, как прочностных, так и характеристик пластичности. Это может быть достигнуто в результате закалки и последующего высокого отпуска. На рис.7.8. представлена микроструктура после такого режима термической обработки, который называется улучшением, а структура состоит из дисперсной механической смеси феррита и цементита, называемой сорбитом отпуска.
| 
|
| Рис. 7.8. Сталь с 0,45%С после закалки с 8300 С в воде и отпуска при 5500 С. (сорбит отпуска, х450) | Рис. 7.9. Доэвтектоидная сталь 0,45%С после нормализации. (феррит и перлит. х250) |
При охлаждении стали 45 от температуры 8200С (выше АЗ+20-500С) на воздухе сталь приобретает мелкозернистую структуру феррита и цементита. Такой режим термической обработки соответствует нормализации (рис.7.9.). В результате нормализации сталь приобретает высокую вязкость.
Рис. 7.10. Сталь с 1,2%-ным углеродом после закалки 7700С в воде и отпуска при 1500С. Мартенсит и цементит вторичный. х450
Структура заэвтектоидной стали У12 после стандартного режима термической обработки (закалки от 7700С в воде и последующего низкого отпуска) показана на рис.7.10. и состоит из светлых мелких зерен цементита, который в данном случае имеет зернистую форму, и темного поля, представляющий собой мартенсит отпуска. Заэвтектоидные стали типа У10, У12, У13 применяют для изготовления режущего и измерительного инструмента, должны обладать высокой твердостью и износоустойчивостью. Эти свойства обеспечиваются закалкой и низким отпуском. На последнем шлифе этой работы студенты знакомятся со структурой стали после химико-термической обработки – цементации. Для этой цели выбраны сталь Ст3, содержащая углерода 0,14-0,22 %. После цементации микроструктура цементированного слоя после медленного охлаждения может состоять из двух или трех зон: заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной (или эвтектоидной и доэвтектоидной). Для получения более высоких свойств изделия после цементации подвергаются термической обработке, состоящей в нормализации и закалке или двойной закалке с последующим низким отпуском. Твердость поверхностного слоя цементированных изделий после цементации и термической обработки составляет 58-62 НRС.
Микроструктура поверхностного слоя после цементации и медленного охлаждения состоит из перлита и цементита, а сердцевина из перлита и феррита (рис.7.11.). После закалки микроструктура поверхностного слоя состоит из мартенсита, а сердцевина – из перлита и феррита.
Рис.7.11. Структура стали с 0,15%С после цементации при 9200С х250
Студенты изучают микроструктуры шлифов сталей в порядке указанных в таблице с помощью микроскопа, сравнивают с одноименной структурой стали, представленной в альбоме микроструктур, зарисовывают ее и делают необходимые пояснения и выводы.
На предложенный преподавателем индивидуальный вопрос студенты отвечают письменно и оформляют отчет.
Таблица 7.1.
Микроструктура термически и химико-термически
обработанных сталей
| № | Марка сплава | %% содержание углерода | Термообработка | Микроструктура | Описание структуры | Свойства | Увеличение |
| Ст45 | Отжиг полный | ||||||
| Ст45 | отжиг с перегревом | ||||||
| Ст45 | закалка 8200 С | ||||||
| Ст45 | неполная закалка | ||||||
| Ст45 | закалка с 10000С |
Продолжение табл. 7.1
| Ст45 | закалка в масле с 8300С | ||||||
| Ст45 | нормализация | ||||||
| Сталь У12 | закалка с 7700С | ||||||
| Сталь 3 | цементация |
7.5 Отчет о работе
7.5.1 Название, цель работы и задание.
7.5.2 Таблица с указанием марки стали, вида термической обработки и микроструктуры с ее описанием (табл.7.1.).
7.5.3 Описание микроструктур сталей после различных видов обработки с указанием свойств и выводов о влиянии содержания углерода и вида термической обработки на структуру и свойства сталей.
7.5.4 Ответ на индивидуальный вопрос.
7.6 Контрольные вопросы
1. Чем характеризуется перегрев стали?
2. Какие бывают виды отпуска закаленной стали?
3. Почему заэвтектоидную сталь подвергают неполной закалке?
4. Каковы структура и свойства заэвтектоидной стали после полной закалки?
5. Что называется полной закалкой?
6. Что называется неполной закалкой?
7. Основные виды химико-термической обработки стали.
8. Назначение химико-термической обработки стали.
9. Как влияет скорость охлаждения при закалке на структуру и свойства?
10. Что такое мартенсит?
11. Чем отличается мартенсит закалки от мартенсита отпуска?
12. Какие стали подвергаются цементации?
13. Какая термическая обработка производится после цементации?
14. От чего зависит глубина цементованного слоя?
15. Как исправить перегретую при отжиге сталь?
16. Почему сталь 45 при закалке с 10000С получает крупноигольчатый мартенсит?
Лабораторная работа № 8.
