РАБОТА 1

Определение склонности к росту аустенитного зерна в стали

2.1 Цель работы

Ознакомиться с существующими методами определения размеров аус-тенитного зерна в стали при температурах выше Ас₃. Определить склон­ность к росту аустенитного зерна (природное зерно) двух марок стали методом поверхностного окисления и установить какая из исследуемых сталей является природно мелкозернистой. Расчетным путем оценить вли­яние размера зерна на прочность и хладостойкость стали.

2.2 Описание лабораторной работы

Нагрев стали выше Ас₃ приводит к полному завершению превращения исходной феррито-перлитной структуры в аустенит. В результате обра­зуется большое число относительно мелких зерен аустенита (начальное зерно), размер которых зависит от ряда факторов: химического состава, исходной структуры, скорости нагрева, степени перегрева и др.

Последующая выдержка стали при температурах выше Ас₃ (Ас_m) со­провождается самопроизвольный ростом аустенитного зерна. Интенсив­ность этого процесса возрастает по мере повышения температуры, одна­ко при прочих равных условиях, она оказывается различной для сталей, отличающихся между собой по химическому составу и способу раскисления. В зависимости от интенсивности роста аустенитного зерна при тем­пературах выше Ас₃ все стали подразделяются на две группы (рисунок 2.1), природно (наследственно) крупнозернистые стали, у которых наблюдает­ся интенсивный рост зерна аустенита сразу же после перехода через точку Ас₃ (кривая а), и природно (наследственно) мелкозернистые, у которых в области температур от Ас₃ до 930-950 ⁰С наблюдается слабый рост зерна; при более высоких температурах в этих сталях обычно от­мечается весьма интенсивный рост аустенитного зерна (кривая б).

К природно или наследственно крупнозернистым относятся стали, раскисленные только ферромарганцем (кипящая сталь) или раскисление ферромарганцем и ферросилицием.

Природно или наследственно мелкозернистыми сталями являются стали дополнительно раскисленные алюминием (спокойная сталь), а так­же стали, содержащие в небольших количествах (0,03-0,1 %) сильные карбидо- или нитридообразующие элементы, например: Ti, V, Zr, Al и др. Образующиеся в присутствии указанных элементов (Аl, Ti, V, Zr и др.) в стали высокодисперсные включения карбидов (TiC, VC, ZrC) или нитридов (AlN и др.), располагаясь по границам зерен аустенита "тормозят" их рост. Таким образом, природное или наследственное зерно определяет склонность аустенитного зерна к росту в интервале темпера­тур Ас₃950 °С и является важной технологической характеристикой ста­ли.

Так как размер зерна в стали после охлаждения до комнатной темпе­ратуры (действительное зерно) находится в прямой зависимости от разме­ров зерна аустенита, то, очевидно, для того, чтобы гарантировать полу­чение мелкозернистой структуры после термической обработки или горя­чей пластической деформации (ковки или прокатки) целесообразно исполь­зовать природно мелкозернистые стали. При этом однако совершенно необ­ходимым является соблюдение следующего обязательного условия: темпера­тура конца прокатки (ковки) или термической обработки (t₀) должна находиться в пределах указанной выше области, Ас₃  t_кп  (930950 °С).

Величина действительного зерна определяет значение одной из наи­более важных характеристик мехсвойств стали - ее ударной вязкости, (динамическую прочность), а также влияет на величину _т; чем мельче действительное зерно, тем выше значение _т, Отсюда следу­ет важность правильного выбора температурного режима горячей обработ­ки стали. Очевидно, что правильный выбор термического режима возможен только при условии, что известно природное зерно обрабатываемой стали. Определяется оно одним из следующих методов: методом цементации, окис­ления, травления, высокотемпературной металлографии и др. Наиболее простым и доступным из них является метод поверхностного окисления.

2.3 Методическая разработка занятия

Сущность метода поверхностного окисления заключается в следующем. Образцы стали после шлифовки двух граней длительно выдерживаются при температурах выше Ас₃. При этом кислород воздуха находящегося в печи, взаимодействует с металлом, образуя окислы железа (FеО, Fе₃О₄, Fе₂О₄) на поверхности образца. По границам зерен окисление протекает более интенсивно и окислы глубже проникают в металл; после сошлифовки такого слоя окислов по границам зерен ауcтенита можно отчетливо наблюдать темную каемку, и таким образом, определить размер зерна.

Для определения размера зерна принято нагревать образцы до 930  10°, с вы­держкой в течение 3-х или 8 часов. Однако для более полного исследо­вания интенсивности роста зерна или различных температурах выше Ас₃ нагрев желательно осуществлять в интервале температур, начиная от 750 ° до 1100 °, через каждые 50°.

2.4 Работа выполняется в следующем порядке:

2.4.1 По одному образцу от каждой стали (диаметром 10-15 мм и высотой 15 мм) после предварительной шлифовки оснований нагревают в электропечи до температур 850, 950 и 1000 ° и выдерживают в течение 45 мин.

2.4.2 По истечении указанной выдержки образцы извлекают из печи, подстуживают на воздухе до темно-красного свечения и после этого охлаждают в воде.

2.4.3 После такой обработки поверхность шлифа осторожно шлифует­ся на последнем номере бумаги и полируется таким образом, чтобы плен­ка окислов удалилась с поверхности зерен и сохранилась по границам зерен.

2.4.4 Приготовленный шлиф травится 2-4 %-ным раствором азотной кислоты в спирте и после этого под микроскопом должна быть четко видна темная сетка окислов, окаймляющая общие зерна аустенита. Так как по границам зерен обезуглероживание распространяется на большую глу­бину, то в случае, когда слои окалины сняты, границы зерен после травления выявляются светлыми, благодаря выделению там сетки феррита.

В случае получения неудовлетворительных результатов на первой поверхности следует воспользоваться второй, повторив все операции по подготовке шлифа.

Просмотр шлифов под микроскопом должен производится при увели­чении хI00; оценку величины зерна производят путем сравнения микро­структуры со стандартной шкалой, а также путем определения средней площади зерна.

2.4.5 Для определения средней площади зерна на каждом шлифе в трех полях зрения подсчитывается число зерен, пересекаемых линией микрометрического окуляра в интервале 60 делений окулярной линейки (рисунок 2.2), и из трех берется среднее число зерен. Средняя пло­щадь зерна определяется по формуле:

(2.1)

где d - средняя площадь зерна в мкм²;

L - интервал окулярной линейки, равной 60 мелких делений;

n - среднее число зерен;

a - цена деления окулярной линейки при принятом увеличении.

Выражение в скобках « » равно среднему диаметру зерна.

2.4.6 Используя формулу n=2^N+3, где n - число зерен в единице площади (мм), определить балл (номер) зерна N.

С помощью таблицы 2.1 определяется номер зерна для каждого об­разца.

Таблица 2.1 - Зависимость между номером зерна и площадью зерна

Номер зерна при увели-	Действительная площадь зерна, мкм2
чении 100 раз, N	пределы колебания	средняя
I	40000-80000	64000
2	20000-40000	32000
3	10000-20000	16000
4	5000-10000	8000
5	2500- 5000	4000
6	1250- 2500	2000
7	625- 1250	1000
8	312- 625	500

2.4.7 Полученные данные сводятся в таблицу 2.2, а также строят­ся графики зависимости величины зерна от температуры.

Таблица 2.2 - Зависимость величины зерна от температуры

Марка стали	Температура нагрева	nсред.	dсред. при х100	S сред., мкм2	Номер зерна

При увеличении в 147 раз " d " равно 8 мкм, а при увеличении в 280 раз - 4,25 мкм.

2.5 Определение значений показателей прочности и хладостойкости стали по размеру зерна с помощью ЭВМ

Размер зерна весьма существенно влияет на предел текучести стали и ее температуру перехода в хрупкое состояние. Получены зависимости величин _т и Т_хр от размера зерна, которые имеют вид:

_т =₀ +kd^-1/2 (2.2)

T_хр = А- B ln d^-1/2 (2.3)

где ₀ , А, В и k - постоянные величины;

d - размер зерна в мкм.

Для малоуглеродистой стали, содержащей 0,1 %С и 0,5 % Mn, конст­анты имеют значения:

₀ = 12 кгс/мм² А = -186,5

К = 45 В = 79,29

С помощью уравнений (2.2) и (2.3) можно рассчитать значения _т и T_хр. Для уяснения пределов изменения этих величин от размера зерна выпол­нить расчет _т и T_хр с помощью ЭВМ для случая изменения среднего раз­мера зерна от 5 до 200 мкм.

2.6 Содержание отчета