Лабораторная работа №2 Исследование влияния скорости охлаждения при термической обработке на микроструктуру и твердость углеродистых сталей

Цель работы: научиться выбирать скорость охлаждения (охлаждающую среду) при термической обработке (ТО) углеродистых сталей для получения требуемой структуры и твердости.

Материальное обеспечение: набор эталонных образцов и снимков микроструктур исследуемых сталей; муфельные лабораторные печи; закалочные бочки; наждачный круг; шлифовальная бумага; спиртовые растворы для выявления микроструктуры стали; твердомер.

Задачи исследования: изучить влияние скорости охлаждения на микроструктуру и твердость сталей с различным содержанием углерода; оценить охлаждающую способность различных сред.

Продолжительность работы – 4 ч.

Теоретическая часть

На формирование структуры стали при ТО огромное влияние оказывает скорость охлаждения. Если сталь, нагретую до аустенитного состояния, охлаждать с различными скоростями, то температура распада переохлажденного аустенита понижается тем больше, чем больше скорость охлаждения. При диффузионном распаде аустенита образуется феррито-цементитная структура.

Пластинки цементита растут вглубь зерна аустенита, при этом соседние микрообъемы объединяются углеродом и превращаются в феррит. Так формируется феррито-цементитная смесь.

В зависимости от скорости охлаждения стали, из аустенита могут сформироваться следующие структуры.

Перлит (П) – крупнопластинчатая смесь феррита и цементита; образуется при медленном охлаждении (кривая 1, рис. 2.1). Твердость пластинчатого перлита эвтектоидной стали составляет 230НВ.

При увеличении скорости охлаждения (кривая 2, рис. 2.1) образуется структура Сорбит (С), у которого более высокая степень дисперсности, чем у перлита. Твердость сорбита 230-330 НВ.

Троостит (Т) – высокодисперсная смесь феррита и цементита, которая образуется при переохлаждении аустенита углеродистой стали до температур 500-550°С (кривая 3, рис. 2.1). Твердость троостита 300-400НВ.

Перлит, сорбит и троостит, образующиеся из аустенита, имеют пластинчатое строение. Эти структуры называют структурами перлитного типа.

Рис. 2.1 Схема наложения кривых охлаждения на диаграмму изотермического распада аустенита.

В зависимости от скорости охлаждения возможно получение не только структур перлитного типа. При определенной скорости охлаждения (кривая 4, рис. 2.1), часть аустенита распадается на феррито-цементитную смесь и часть остается нераспавшейся. При дальнейшем понижении температуры нераспавшийся аустенит начинает превращаться в Мартенсит. Это превращение начинается при температуре Мн и заканчивается при температуре Мк. В результате образуется структура мартенсит и троостит закалки.

Дальнейшее увеличение скорости охлаждения (кривая 5, рис. 2.1) препятствует протеканию диффузионных процессов распада аустенита, поэтому он переохлаждается до температуры Мн, а затем происходит бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. При такой скорости охлаждения структура стали представляет собой мартенсит и определенное количество остаточного аустенита, которое зависит от химического состава стали.

При мартенситном превращении происходит лишь перестройка ГЦК решетки аустенита в ОЦК решетку феррита без выделения из раствора углерода, что приводит к искажению кубической решетки до тетрагональной. Чем больше углерода было в аустените, тем большую степень тетрагональности будет иметь кристаллическая решетка мартенсита, тем тверже закаленная сталь.

Превращение аустенита в мартенсит протекает в интервале температур Мн и Мк только при непрерывном охлаждении и характеризуется высокой скоростью роста зародышей в пределах 1000-7000 ш/с. Первые пластинки мартенсита обычно ориентированы относительно друг друга под углом 60° или 120°.

Размеры пластинок мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита. Чем больше зерно аустенита, тем крупнее пластины мартенсита. Превращение аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема.

Порядок выполнения работы

1. Нагревают по 4 образца доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтетоидной стали до оптимальной температуры. Время нагрева определяется ?????

2. Затем по одному образцу каждой марки стали охлаждают:

а) в воде (скорость охлаждения около 600°С/с)

б) в масле (скорость охлаждения около 150°С/с);

в) на воздухе (скорость охлаждения около 30°С/мин);

г) с печью (скорость охлаждения около 5-10°С/мин);

3. Охлажденные образцы зачищают от окалины с двух сторон и испытывают на твердость по методу Роквелла с применением алмазного конуса при нагрузке 150 кг или шарика при нагрузке 100 кг (в зависимости от предлагаемой твердости).

4. После замеров твердости, с одной стороны каждого образца изготавливают микрошлиф, травят его в 4-% спиртовом растворе азотной кислоты и изучают микроструктуру.

Результаты замеров твердости и исследования микроструктуры заносят в сводную таблицу.

На основании данных таблицы строят графики изменения твердости в зависимости от скорости охлаждения и делают вывод о том, какая охлаждающая среда обеспечивает получение максимальной твердости при закалке доэвтетоидной, эвтетоидной и заэвтектоидной стали.

Таблица 2.1

Результаты исследований

Марка стали	Охлаждающая среда	Примерная скорость охлаждения, °С/с(мин)	Микроструктура	Твердость, НВ
	вода	600°С/с
	масло	150°С/с
	воздух	30°С/мин
	с печью	5-10°С/мин
	вода	600°С/с
	масло	150°С/с
	воздух	30°С/мин
	с печью	5-10°С/мин
	вода	600°С/с
	масло	150°С/с
	воздух	30°С/мин
	с печью	5-10°С/мин
	вода	600°С/с
	масло	150°С/с
	воздух	30°С/мин
	с печью	5-10°С/мин