ВИЗНАЧЕННЯ КРИТИЧНИХ ТОЧОК В СТАЛІ

ДИФЕРЕНЦІАЛЬНИМ ТЕРМІЧНИМ МЕТОДОМ

Лабораторна робота № 8 дослідження відпалу сталі диференційним дилатометричним методом

6.1. Мета роботи та робоче завдання

Мета роботи: Ознайомитися з конструкцією диференційного оптичного дилатометра типу Шевенара. Набути практичного досвіду визначення критичних точок в вуглецевих та низьколегованих сталях при нагріві та охолодженні, а також коефіцієнту лінійного розширення в заданому інтервалі температур.

Для досягнення мети роботи необхідно виконати наступні завдання:

• Опрацювати літературу для опанування фізичних принципів, що лежать в основі застосування диференційного дилатометричного аналізу;

• Згадати конструкцію та принцип роботи диференційного оптичного дилатометра типу Шевенара;

• З використанням градуювальної сітки побудувати диференційну дилатометричну криву;

• Визначити критичні точки в досліджуваних матеріалах;

• Зробити висновки щодо отриманих результатів.

8.2. Теоретичні відомості

Нагадаємо, що термічні методи аналіза призначені головним чином для виявлення теплових ефектів при фазових та структурних перетвореннях і вимірювання їх величини.

Дилатометричний метод аналізу дозволяє вивчати в металах і сплавах внутрішні перетворення, які супроводжуються об’ємними змінами: алотропичні, при відпуску сталі, рекристалізації матеріалів, графітизації чугуна, ізотермічному розпаді аустеніта, тощо.

Вивчаючи перетворення в сталі при нагріванні і охолодженні дилатометричним методом, можна визначити критичні точки шляхом виявлення стрибкоподібних змін на кривій «розширення зразка – температура».

Порушення неперервності в зміні довжини зразка при нагріванні і охолодженні пов’язано з тим, що перетворення заліза із стану в стан супроводжується зменшенням питомого об’єму на 0,8 %, а сталі – на 0,4% (див. рис. 8.1). Аустеніт і структури, які можуть утворюватись в результаті його перетворення, за питомим об’ємом можна розмістити в порядку зростання таким чином: аустеніт → троостіт → сорбіт → феррит → мартенсит. Звідси випливає, що дилатометричний ефект перетворення при охолодженні сталі із стану аустеніта, в значній мірі залежить від швидкості охолодження і вмісту в сталі вуглецю. Внаслідок того, що аустеніт має найменший об’єм, а мартенсит – найбільший, дилатометричний ефект із збільшенням швидкості охолодження буде зростати і досягне максимального значення при швидкості охолодження, яка дорівнює верхній границі критичної швидкості. Чим більше вуглецю міститься в сталі, тим більшим дилатометричним ефектом супроводжується її загартовування.

Рисунок 8.1 - Крива розширення і стискання зразка з вуглецевої сталі при нагріванні і охолодженні.

Таким чином, на відміну від термічного методу, в дилатометричному методі при швидкостях охолодження, близьких до критичної, чуттєвість методу зростає. Це складає одну із суттєвих переваг даного методу.

Крім того, при дилатометричному методі зменшується вплив інерції на точність отриманих результатів, так як зміна довжини зразка нерозривно пов’язана з процесом перетворення при будь-якій швидкості охолодження.

Отже, критичні точки при нагріванні сталі можна визначити за дилатограмою (див.·рис. 8.1), якщо відома градуювальна сітка дилатометра.

Точка б (див. рис. 8.1) відповідає температурі початку зменшення об’єму зразка внаслідок перетворення частини ферриту в аустеніт, тобто точці Ас₁; точка г - відповідає повному перетворенню структури зразка в аустеніт (див. діаграму стану ), тобто точці Ас₃ при нагріванні, а точки а та в – критичним точкам Ar₁ і Ar₃ при охолодженні, відповідно.

Якщо досліджуваний зразок був спочатку загартований, то дилатограма матиме вигляд, показаний на рис. 8.2. При відпуску загартованої сталі відбувається три додаткових фазових перетворення, які супроводжуються зміною об’єму (довжини) зразка.

Рисунок 8.2 - Дилатограма відпуску загартованої вуглецевої сталі.

Перше перетворення, яке відбувається в інтервалі температур до 200 ⁰С, характеризується зменшенням довжини зразка в зв’язку з тим, що тетрагональність гратки мартенситу зменшується внаслідок виділення вуглецю у вигляді карбіда із пересиченого твердого розчину (мартенситу). Процес розпаду мартенситу відбується неперервно при нагріванні до температури 600…650 ⁰С.

При другому перетворенні в інтервалі температур 200…300 ⁰С відбувається розпад залишкового аустеніту з перетворенням його в мартенсит відпуску, при цьому склад продуктів розпаду залишкового аустеніту такий же, як і склад продуктів розпаду мартенситу при тих же температурах. Цей процес супроводжується збільшенням об’єму зразка.

Третє перетворення в інтервалі температур 300…400 ⁰С характеризується перетворенням низькотемпературного карбіда в цементит, об’єм зразка при цьому зменшується.

При більш високих температурах відпуску відбувається укрупнення (коагуляція) зернистих частинок цементиту, але довжина зразка змінюється лінійно до тих пір, поки температура нагрівання не досягне критичної точки . Тоді об’ємні зміни будуть такими ж, як і при нагріванні відпаленого зразка (див. рис. 8.1).