Порядок выполнения работы

1. Зарисовать часть диаграммы состояний Fe  C для сталей.

2. Просмотреть коллекцию шлифов:

шлиф № 1  технически чистое железо (армко-железо);

шлиф № 2  доэвтектоидная малоуглеродистая сталь после нормализации;

шлиф № 3  доэвтектоидная среднеуглеродистая сталь после нормализации;

шлиф № 4  эвтектоидная сталь после отжига;

шлиф № 5  заэвтектоидная сталь после полного отжига или горячей механической обработки с окончанием деформирования вблизи Ас_m;

шлиф № 6  заэвтектоидная сталь после термической обработки на перлит с зернистой формой цементита.

3. Для доэвтектоидных сталей (шлифы 2 и 3) определить процентное содержание углерода по микроструктуре.

4. Зарисовать структуры сталей.

5. Рядом с каждой структурой зарисовать график термической обработки для получения этой структуры.

Содержание отчёта

1. Часть диаграммы состояний Fe  C для сталей.

2. Зарисовки микроструктур сталей с указанием марки, названия стали по структуре и назначению.

3. Графики термической обработки рядом с каждой структурой с указанием критических точек и охлаждающих сред.

Р А Б О Т А 5

ОКОНЧАТЕЛЬНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Окончательной термической обработкой завершают формирование свойств материала изделия путем изменения его структуры. При этом стремятся в зависимости от назначения изделия получить наилучшее сочетание прочности, пластичности и вязкости разрушения. Закалка, точнее, закалка с отпуском, обеспечивают более высокий комплекс механических характеристик по сравнению с нормализацией (отжигом).

Цель закалки сталей  получение мартенситной структуры в доэвтектоидных сталях и мартенсита с цементитом в заэвтектоидных сталях.

В условиях медленного охлаждения доэвтектоидной стали (при отжиге) происходит диффузионное фазовое превращение аустенита в перлит  грубодисперсную структурную составляющую, состоящую из феррита и чередующихся пластинок цементита. Напротив, быстрое охлаждение при закалке обеспечивает переохлаждение аустенита до относительно низких температур без его диффузионного распада. В углеродистых сталях при этом имеет место бездиффузионное фазовое превращение аустенита в мартенсит.

При непрерывном медленном охлаждении со скоростью V₁, (рис. 5.1 ) перлитное превращение может начаться и закончиться ниже 727⁰ С . С возрастанием скорости охлаждения ( V₃  V₂  V₁ ) снижается температура распада аустенита, что приводит к измельчению пластинок феррито-цементитной смеси.

В результате образуются структуры перлита, сорбита и троостита, отличающиеся размерами ферритных и цементитных образований (степенью дисперсности) и, следовательно, разными механическими свойствами.

Крупнопластинчатая ферритно-цементитная смесь у перлита обеспечивает наиболее высокие значения ударной вязкости, относительного удлинения и относительного сужения по сравнению с сорбитом и трооститом, а твердость, предел прочности и предел текучести - самые низкие.

Дисперсная мелкозернистая структура троостита обеспечивает более высокие показатели твердости и прочностных свойств; сорбит по показателям тех

значения механических свойств получаемой перлито-цементитной структуры занимают промежуточное положение между перлитом и трооститом.

При дальнейшем росте скорости охлаждения (V₄) только часть аустенита может перейти в феррито-цементитную смесь (троостит); а оставшийся аустенит претерпевает бездиффузионное превращение в пересыщенный твердый раствор углерода в Fe_ , который называется мартенситом.

Вектор скорости V_кр, касательный к выступу С - образной изотермической кривой ( рис. 5.1 ) и характеризующий минимальную скорость непрерывного охлаждения, при которой полностью подавляется диффузионный распад , называется критической скоростью охлаждения (критической скоростью закалки).

При непрерывном охлаждении с еще большей скоростью (V₅  V₄) диффузионное перераспределение углерода полностью исключается и происходит только мартенситное превращение за счет перестройки кубической гранецентрированной решетки аустенита в кубическую объемноцентрированную решетку  - железа при сохранении концентрации углерода исходной структуры. При этом часть аустенита может остаться непревращенным.

Решетка  - железа способна разместить ограниченное количество углерода - не более 0,02 % . Поэтому избыточное количество углерода исходного аустенита (max - 2, 14%) искажает кубическую объемноцентрированную решетку - железа до тетрагональной объемноцентрированной решетки. Величина отношения периодов с/ а - тетрагональность решетки мартенсита - возрастает с увеличением содержания углерода (рис. 5.2).

М_н (температура начала мартенситного превращения) и М_к (температура окончания мартенситного превращения) определяются содержанием углерода в стали; чем больше углерода в аустените, тем ниже температура М_н и М_к (рис. 5.3). Количество остаточного аустенита зависит от содержания углерода в стали. В высокоуглеродистых сталях количество остаточного аустенита повышенное.

Из всех возможных структур, получаемых при непрерывном охлаждении аустенита, мартенсит обладает максимальными значениями твердости, предела прочности (рис. 5.4).

Однако, значение ударной вязкости, относительного удлинения и относительного сужения мартенсита - самые минимальные по сравнению с другими структурами.

Высокая твердость мартенсита определяется количеством растворенного углерода: с увеличением концентрации углерода в решетке  - железа значение твердости возрастает.

Рис. 5.1. Диаграмма изотермического распада аустенита (с-образные кривые)

Рис. 5.2. Модели кристаллических ячеек феррита и мартенсита

Рис. 5.3. Влияние содержания углерода на положение

мартенситных точек М_н и М_к

Рис 5.4. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали с 0,4 % С

Закалка сталей  это нагрев доэвтектоидных cталей до температуры на 3050 С выше линии Ас₃, а для заэвтектоидных на 3050 С выше линии Ас₁, выдержка с последующим быстрым охлаждением со скоростью, препятствующей диффузионному распаду аустенита. При закалке, как указано выше, происходит бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит.

Для доэвтектоидных сталей проводят полную закалку (структура  мартенсит, рис. 5.5, а), а для заэвтектоидных инструментальных сталей  неполную (структура  мартенсит и цементит (рис. 5.5, б)).

Чтобы аустенит претерпевал при непрерывном охлаждении только бездиффузионное превращение в мартенсит, его необходимо охлаждать со скоростью, большей или равной критической скорости закалки. Углеродистые стали при закалке обычно охлаждают в воде или 5-10% водных растворах солей или щелочей.

Мартенсит имеет наибольшую твёрдость, уступая в этом только цементиту. С увеличением содержания углерода в мартенсите твёрдость его возрастает и достигает около HRC_э 60 при содержании углерода 0,6 % и более (рис. 5.6).

а		б
Рис. 5.5. Структура закаленных доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей: мартенсит (а) и мартенсит с цементитом вторичным (б)

Рис. 5.6.Твёрдость мартенсита углеродистых сталей

в зависимости от содержания углерода

При закалке на мартенсит возникают остаточные напряжения (термические и структурные), которые могут с течением времени привести к изменениям размеров и формы готового изделия и даже его разрушению.

Поэтому стали после закалки на мартенсит обязательно подвергают отпуску. При отпуске закалённой стали ее нагревают до температур, не превышающих Ас₁, с целью формирования структуры, обеспечивающей необходимые эксплуатационные свойства изделия и уменьшения или снятия внутренних закалочных напряжений.

При нагреве до температуры ниже Ас₁ мартенсит претерпевает превращения, приводящие к более устойчивому (равновесному) состоянию. Выбор температуры нагрева при отпуске определяется требованиями, предъявляемыми к изделиям.

Различают три вида отпуска:

- низкий отпуск  до 150200 С приводит к перераспределению углерода в решетке Fe_ и снижает остаточные напряжения при сохранении или незначительном снижении твёрдости; применяется для изделий, которые должны обладать высокой твердостью (инструмент, пары трения в машинах). Структура называется мартенситом отпуска (рис. 5.7, а);

- средний отпуск при 350400 С приводит к полному распаду мартенсита с образованием цементита, представляющего собой субмикроскопические частицы, распределенные с высокой плотностью в феррите. Плотность распределения частиц цементита столь высока, что в оптическом микроскопе эта структура не разрешается. Такую структуру называют троститом (рис. 5.7, б). Тростит характеризуется высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. Пружинно-рессорные стали должны иметь высокий предел упругости при достаточной пластичности, поэтому для упругих элементов (пружины, рессоры, мембраны) назначают полную закалку и средний отпуск;

- высокий отпуск сталей при 550650 С вызывает коагуляцию (укрупнение) частиц цементита и уменьшение плотности распределения их в феррите. Эту структуру называют сорбитом (рис. 5.7, в). В результате высокого отпуска снижается сопротивление пластическим деформациям (предел текучести, твёрдость), и увеличиваются вязкость и пластичность. Закалка с высоким отпуском обеспечивает более высокие предел текучести и вязкость, чем нормализация. Особенно повышается сопротивление стали зарождению и развитию трещин. Поэтому этот вид термической обработки называют улучшением. Материал валов и других деталей машин должен иметь высокий предел текучести при уровне пластичности =3055 % или ударной вязкости KCU=5060 Дж/см² в зависимости от условий работы и размеров детали. Для тяжелонагруженных деталей машин (валы, штоки, оси, шестерни, лопатки и др.), как правило, проводят улучшение.

а б в

Рис. 5.7. Структура отпущенной стали (0,6% С), х500: а — мартенсит отпуска;

6 — троостит; в — сорбит

Свойства стали после закалки и отпуска зависят от температуры отпуска. Таким образом, с помощью различных видов термической обработки можно получать разные структурные состояния и, следовательно, различные механические характеристики стали одного и того же состава.