3. Оборудование, приборы, материалы

1. Металлографические микроскопы и принадлежности к ним.

2. Набо образцов, прошедших цементацию при различных температурах в течение разного времени.

3. Диаграмма состояния железо-углерод.

4. Содержание работы

1. Изучить и зарисовать структуру цементированного слоя.

2. С помощью окуляра со шкалой и объект-микрометра измерить глубину цементированного слоя для всех образцов. Измерения для каждого образца провести по 5 раз на разных участках образца.

3. Рассчитать коэффициенты диффузии для всех образцов, пользуясь табл.5.1. Величина С₀ в этой таблице определяется предельной растворимостью углерода в аустените и соответствует прекции точки, лежащей на линии SE диаграммы железо-углерода при температуре цементации. Концентрацию С на данной глубине можно определить по виду микроструктуры или же считать, что на середине переходного слоя она равна средней величине между концентрацией углерода в перлите и сердцевине, т.е. С=(%С_П +%С_Ст):2.

4. Пользуясь формулой (7), графически определить энергию активации диффузии и предэкспоненциальный множитель .

5. Оформление результатов

Отчет, предъявляемый при сдаче лабораторной работы, должен содержать:

цель работы;

краткую теорию;

схематический рисунок зацементированного слоя;

представленные в виде графиков и таблиц результаты измерения глубины переходного слоя, рассчитанные коэффициенты диффузии, величину энергии активации и множителя ;

подсчет ошибок измерения.

6. Контрольные вопросы

1. Физический смысл первого и второго уравнений диффузии, а также констант диффузии.

2. Атомные механизмы диффузии.

3. Факторы, влияющие на коэффициент диффузии, его размерность.

4. Назначение цементации как одного из методов химико-термической обработки стали.

5. Почему цементацию проводят при температурах выше 750⁰?

6. Как измеряют глубину цементации и от чего она зависит?

7. Какие структуры получаются после цементации?

8. Требуется ли после цементации какая-то термическая обработка? Если да, то какая и для чего?

7. Литература

1. Уманский Я.С., Скаков Ю.А. Физика металлов. М.: Атомиздат. 1978. –352 с.

2. Соловьев С.П., Хмелевская В.С. Физико-технические основы материаловедения. – Обнинск. ИАТЭ. 1990. –99с.

Р а б о т а № 7

Влияние термической обработки на механические свойства конструкционных сталей

1. Цель работы

Экспериментальное ознакомление с процессом закалки и отпуска сталей, изучение закономерностей структурно-фазовых превращений и их влияние на механические свойства сталей; влияние легирующих элементов на критические точки диаграммы железо-углерод.

2. Краткая теория

Термической обработкой называют процессы теплового воздействия (нагрев и охлаждение) на сплавы с целью изменения их структуры и механических свойств. При этом для достижения оптимального комплекса механических свойств, а также для прогнозирования их изменения при проведении технологических операций (например, при сварке) или в условиях длительной эксплуатации необходимо знание критических точек стали – областей фазовых превращений.

На диаграмме железо-углерод критическим точкам Ас₁ (превращению перлита в аустенит) соответствует линия , критическим точкам Ас₃ для доэвтектоидных сталей соответствует линия , отвечающая состоянию равновесия феррита и аустенита определенного состава, для заэвтектоидных сталей линия (конец растворения цементита в аустените).

При нагреве углеродистых сталей до температур выше линии структура этих сталей будет представлять собой аустенит. При медленном охлаждении образца данного состава мы получаем равновесную структуру феррит + перлит для доэвтектоидных сталей, перлит для эвтектоидных сталей и перлит + цементит для заэвтектоидных сталей.

При быстром охлаждении вследствие подавления диффузионных процессов в доэвтектоидных и эвтектоидных сталях образуется неравновесная структура – мартенсит (перенасыщенный раствор углерода в -железе), имеющий объемно-центрированную тетрагональную решетку. Под микроскопом мартенсит имеет игольчатую микроструктуру и обладает высокой твердостью.

Такой вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали выше критической точки Ас₃ и быстром охлаждении со скоростью, обеспечивающей превращение аустенита в мартенсит, называется полной закалкой, а минимальная скорость охлаждения, при которой это превращение имеет место – критической скоростью закалки.

Если сталь нагревается ниже точки Ас₁, то ее структура не меняется, и аустенитная составляющая отсутствует. Поэтому при быстром охлаждении мартенсит не образуется и, следовательно, твердость образца не отличается от твердости в незакаленном состоянии.

Рис.7.1. Интервал закалочных температур углеродистой стали

При нагреве в температурном интервале между точками Ас₁ и Ас₃ доэвтектоидная сталь приобретает двухфазную структуру аустенит + феррит, которая в результате быстрого охлаждения превратииться в структуру мартенсит + феррит. Такой вид термической обработки (нагрев выше точки Ас₁ и ниже точки Ас₃ с последующим быстрым охлаждением) называется неполной закалкой. Поскольку мартенсит обладает существенно большей твердостью по сравнению с ферритом, твердость закаленной стали повышается, причем это повышение тем больше, чем больше концентрация аустенитной составляющей в нагретом образце, т.е. чем выше температура нагрева. Возрастание твердости должно продолжаться до тех пор, пока не будет достигнута точка Ас₃, когда сталь в нагретом состоянии имеет полностью аустенитную структуру, а в закаленном состоянии – в основном мартенситную. Очевидно, что дальнейшее повышение температуры не изменит структуру стали и ее твердость в закаленном состоянии.

Подобное изменение твердости в зависимости от температуры нагрева под закалку лежит в основе определения критических точек в сталях методом пробных закалок. Сущность метода состоит в том, что образцы сталей закаливаются с различных температур, причем первый образец закаливают с температурой более низкой, чем предполагаемая критическая точка Ас₁. Каждый последующий образец закаливают с более высокой температуры. Выбор интервала температур нагрева отдельных образцов определяет точность определения критических точек.

Рис.7.2. Зависимость твердости стали от температуры закалки

По результатам измерения твердости образцов, закаленных с разных температур, строится график, примерный вид которого для доэвтектоидных сталей представлен на рис.7.2, где температура начала повышения твердости соответствует точке Ас₁, а конец подъема твердости – точке Ас₃.

Для заэвтектоидных сталей максимальная твердость достигается уже при закалке с температур, на 30-50⁰С превышающих точки Ас₁.

Дальнейшее повышение температуры нагрева приводит к увеличению в закаленной стали доли остаточного аустенита, который имеет меньшую твердость по сравнению с мартенситом. Повышенное содержание остаточного аустенита связано, в первую очередь, с наличием в стали сравнительно большого количества (>0,8%) углерода, стабилизирющего аустенитную фазу. Структура закаленной заэвтектоидной стали состоит из мартенсита и цементита.

При введении в сталь других легирующих элементов (никеля, хрома и др.) положение критических точек значительно изменяется и определение их по диаграмме состояния железо-углерод становится невозможным. Поэтому для назначения режимов термической обработки необходимо предварительное экспериментальное определение критических точек.

а б

Рис.7.3. Мартенсит в стали с 0,45% С (а) и в стали с 1,3% С и 1,85% Мn

Следует помнить, что закаливаемость – способность повышать твердость в результате закалки – характерна только для сталей, испытывающих мартенситные превращения (аустенит-мартенсит). В этом случае на их равновесной диаграмме состояния должно быть превращение аустенит-феррит. У некоторых легированных сталей (аустенитного или ферритного классов) такого превращения на диаграмме нет. В этом случае получение мартенситной структуры с помощью закалки невозможно.

Закаленная сталь и ее основная структурная составляющая – мартенсит (пересыщенный раствор углерода в железе с ОЦК решеткой) – характеризуется повышенной склонностью к хрупкому разрушению и значительными внутренними напряжениями. Поэтому для улучшения эксплуатационных характеристик – оптимального сочетания прочности и пластичности – закаленная сталь подвергается отпуску – нагреву до температуры ниже критической точки Ас₁ и последующему охлаждению. При этом мартенсит, являясь неравновесной структурой, будет стремиться перейти в более устойчивое состояние – в структуру перлитного типа (перлит, сорбит, троостит).

Различают три вида отпуска закаленной стали:

- низкий отпуск, осуществляемый при температурах 200-250⁰С, приводящий к резкому уменьшению концентрации углерода в мартенсите без заметных изменений на микрошлифе и создающий структуру отпущенного мартенсита, или мартенсита отпуска и, кроме того, приводящий к частичному снятию внутренних напряжений, повышению вязкости и пластичности без заметного изменения твердости;

- средний отпуск, осуществляемый нагревом закаленной стали до температур 300-600⁰С и вызывающий распад мартенсита с образованием сорбита или троостита;

- высокий отпуск, осуществляемый нагревом до температур более 600⁰С и приближающий структуру к равновесной с образованием перлита, дисперсное строение которого близко к строению зернистого перлита отожженной стали.