Форма 1

Марка стали и вид образца	Микротвердость на расстоянии от поверхности Но		Микроструктура (схема)		Приме-чание
	0,5 мм	3,0 мм	цементованный слой	сердцевина

Форма 2

Марка стали	Вид термообработки	Твердость НRC	Схема микроструктуры	Примечание

3. Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Основные представления о влиянии легирующих элементов на структуру и свойства стали.

3. Заполненные формы 1 и 2 и выводы по влиянию легирующих элементов на свойства и микроструктуру сталей.

4. Схема микроструктур сталей ХВГ, Р18 и 08Х18Н9Т.

Контрольные вопросы

1. Как влияют легирующие элементы на структуру и свойства стали?

2. Какова классификация легированных сталей по структуре в отожженном состоянии и по назначению?

3. Почему затруднен распад переохлажденного аустенита в легированной стали и когда происходит ускорение распада?

Литература: [1, 2].

Работа 11

МАКРО- И МИКРОСТРУКТУРА ЛИТОЙ

И ГОРЯЧЕДЕФОРМИРОВАННОЙ СТАЛИ

Цель работы – ознакомиться с особенностями макро- и микроструктуры литой стали; уяснить связь структуры горячедеформированной стали со структурой литой стали, ознакомиться со способами оценки загрязненности стали неметаллическими включениями.

1. Содержание работы

Макро- и микроструктура литой стали.

Макроструктурой тела называют его внутреннее строение, особенности которого различимы невооруженным глазом либо с помощью лупы. Макроструктуру изучают на специально подготовленном образце (макрошлифе), поверхность которого выровнена путем фрезерования и шлифовки. На потравленном макрошлифе можно наблюдать усадочные раковины, газовые пузыри, трещины. Травление макрошлифа создает на его поверхности рельеф, поскольку участки, имеющие из-за ликвации разный состав, растворяются в реактиве с неодинаковой скоростью. После травления на макрошлифе выявляются: первичная зеренная структура; дендритное строение крупных зерен; зоны, обогащенные примесями.

В некоторых случаях распределение какой-либо примеси выявляют с помощью отпечатков с поверхности макрошлифа. Так поступают, например, при изучении распределения серы в стали (метод Баумана).

Анализ макроструктуры позволяет получить информацию о строении изделия в целом. Такой анализ широко используют в научных исследованиях и заводской практике, как способ контроля качества металла. По макроструктуре можно в известной степени восстановить технологическую предисторию изделия. Изучая макроструктуру, производят выбор участков образца для последующего исследования его микроструктуры.

Для слитков и крупных отливок характерна химическая неоднородность (ликвация). Макроскопическая ликвация проявляется в следующем; фосфор, сера и углерод обогащают ту часть слитка, где затвердевание происходят позднее всего. Для спокойной стали это – головная часть слитка. В слитке полуспокойной стали макроскопическая ликвация выражена слабее, чем в спокойной и кипящей. Эта ликвация усиливается с увеличением времени застывания металла и расширением температурного интервала кристаллизации. В соответствии с вышеизложенным, слитки малого сечения, разлитые в изложницы либо полученные в водоохлаждаемых кристаллизаторах, обладают уменьшенной зональной ликвацией. Зональная ликвация, как правило, вредна, так как приводит к различию свойств металла в разных частях слитка.

Для первичной микроструктуры литой углеродистой стали характерны неметаллические включения, крупное зерно аустенита и неоднородность состава зерен аустенита вследствие дендритной ликвации фосфора и углерода.

Неметаллическими включениями называют выделения фаз, образованные неметаллическими примесями стали при ее затвердевании: сульфиды, оксиды, силикаты и др. В зависимости от состава неметаллические включения образуются как в начале, так и в конце процесса затвердевания жидкого металла. Включения с низкой температурой затвердевания всегда располагаются между первичными зернами аустенита. Однако в этих же участках часто встречаются и тугоплавкие включения. По-видимому, они оттесняются растущими дендритами металлической фазы и скапливаются там, где кристаллизуются последние порции расплава.

С помощью светового микроскопа различимы неметаллические включения размером более 1 – 2 мкм. Наблюдают неметаллические включения на тщательно отполированных микрошлифах.

Сульфиды в литой стали присутствуют обычно в виде соединения (Mn, Fe)S, выделения которого при увеличенном количестве марганца окрашены в серо-голубой цвет. При высоких содержаниях марганца в стали (Mn : S  10 : l) сульфиды выделяются из расплава до начала кристаллизации твердого раствора и поэтому располагаются в литой стали беспорядочно. При недостаточном количестве марганца в стали сульфиды образуют с закисью железа эвтектику, которая затвердевает при 950 °С и поэтому располагается между первичными кристаллами аустенита. Если такой металл нагревать под горячую прокатку (температура нагрева 1200 °С), эта эвтектика плавится, что вызывает разрушение металла во время деформации (красноломкость металла). Сульфиды марганца, напротив, пластичны и легко деформируются.

Оксиды образуются при раскислении стали еще в жидком металле и поэтому, имеют шаровидную форму. Закись железа встречается только в недостаточно раскисленной стали. Обычно не наблюдаются оксиды кремния, марганца, алюминия и их соединения – силикаты (соединения кремнезема с другими оксидами) или шпинели (соединения с глиноземом).

Силикаты – наиболее часто встречающиеся в стали неметаллические включения. Они имеют сложный состав и обычно содержат фаялит и силикат марганца. Силикаты, содержащие фаялит, имеют темно-серый цвет. Из-за своей аморфной (стеклообразной) структуры они прозрачны при наблюдении в темном поле. Силикаты железа и марганца довольно пластичны, остальные – хрупки. Шпинели имеют высокую температуру кристаллизации и выделяются в жидкой стали в виде ограненных кристаллов. В зависимости от состава шпинели меняют свою окраску.

Тип неметаллических включений определяют, как правило, по их расположению, форме, окраске, прозрачности в светлом и темном поле и оптической анизотропии при освещении поляризованным светом. Современные методы локального анализа с применением электронного зонда позволяют быстро определять состав отдельных включений размером до ~ 1 мкм.

Микроскопическая ликвация аустенита проявляется в обогащении растворенным фосфором приграничных зон дендритов аустенита. Фосфор имеет очень низкую диффузионную подвижность, и поэтому за время охлаждения аустенита после затвердевания состав твердого раствора по сечению зерна не выравнивается.

Углерод, растворенный в аустените, так же как и фосфор, должен был бы обогащать приграничные зоны зерен аустенита. Однако фосфор, растворенный в аустените, повышает активность углерода. Поэтому, в присутствии растворенного фосфора, углерод перераспределяется в твердом растворе и обогащает центральные части дендритов аустенита. Вследствие неоднородности состава первичного аустенита вторичная структура, образующаяся в результате фазовых превращений в твердом состоянии, также оказывается неоднородной. В центральных частях дендритов из-за обогащения их углеродом образуется больше перлита, чем периферийных. Это приводит к образованию вторичной структуры стали, ограждающей характерное дендритное строение первичного аустенита: ферритные зерна, расползающиеся на месте пространств дендритов аустенита, образуют сетку, в ячейках которой находятся участки перлита. При пониженном содержании фосфора и правильно выбранной термической обработке такая структура устраняется.

Характерный для слитков и крупных отливок большой размер зерна первичного аустенита приводит к появлению еще одной аномалии во вторичной микроструктуре углеродистой стали – образованию видманштеттовой структуры. Эта структура характеризуется пластинчатыми образованиями доэвтектоидного феррита или игольчатыми – вторичного цементита, ориентированно располагающимися на темном фоне перлита.

Возникновение видманштеттовой структуры связано с тем что, например, в дозвтектоидной стали избыточный феррит выделяется не только по границе, но и внутри крупных зерен аустенита. Кристаллы избыточного феррита, возникшие внутри аустенитного зерна, приобретают пластинчатую форму, причем пластины лежат вдоль определенных плоскостей решетки аустенита. Помимо большого размера зерна аустентита образованию видманштеттовой структуры способствует ускоренное охлаждение стали от высоких температур. Сталь с видманштеттовой структурой обладает повышенной хрупкостью. Для устранения такой структуры применяют термическую обработку.