- •Предисловие
- •Введение
- •Глава 1 основные методы исследования металлов
- •1.1. Определение химического состава сплава
- •1.2. Структурные методы исследования металлов и сплавов
- •1.2.1. Макроскопический анализ (макроанализ)
- •1.2.2. Микроскопический анализ (микроанализ)
- •1.2.2.1. Отбор образцов для исследования
- •1.2.2.2. Приготовление шлифов
- •1.2.2.3. Методы выявления микроструктур
- •1.2.3. Электронная микроскопия
- •1.2.4. Фрактография (изучение изломов)
- •1.2.5. Рентгеноструктурный анализ
- •1.3. Методы изучения механических свойств
- •1.3.1. Статические испытания на растяжение
- •1.3.2. Испытания на прочность при высоких температурах
- •1.3.3. Определение ударной вязкости
- •1.3.4. Определение твердости
- •1.3.5. Испытания на усталость
- •1.4. Физические методы
- •1.4.1. Термический анализ
- •1.4.2. Дилатометрический метод
- •1.4.3. Определение электропроводности
- •1.4.4. Магнитный анализ
- •1.4.5. Метод внутреннего трения
- •Библиографический список
- •Глава 2 структура железа и стали, получаемая при термической обработке
- •2.1. Термическая обработка и диаграмма состояния
- •2.1.1. Основные виды термической обработки стали
- •2.1.2. Образование аустенита из перлита и рост аустенитного зерна при нагреве
- •2.1.3. Распад аустенита на ферритоцементитную смесь при охлаждении
- •2.1.3.1. Перлитное превращение
- •2.1.3.2. Мартенситное превращение аустенита
- •2.1.3.3. Бейнитное превращение
- •2.2. Превращение при отпуске закаленной стали
- •2.3. Основные свойства металлических материалов (сталей) после термической обработки
- •Библиографический список
- •Глава 3 лабораторные работы
- •3.1.Определение твердости металлов
- •3.2.Макро – и микроскопическое исследование сплавов
- •3.3.Сплавы на основе двойных систем
- •3.4.Микроскопическое исследование структуры углеродистых сталей
- •3.5.Микроструктура чугунов
- •3.6.Закалка углеродистой стали
- •3.7.Отпуск закаленной стали
- •3.8.Микроскопическое исследование структуры цементованных деталей
- •3.9.Конструкционные легированные стали
- •3.10. Литье в песчано-глинистые формы
- •3.11.Оборудование, инструмент и расчет технологических параметров при вырубке - пробивке
- •3.12.Изучение элементов конструкции и геометрии токарного резца
- •3.13.Ручная дуговая сварка электродом
- •3.14.Анализ кинематической схемы металлорежущих станков
- •Глава 4 тесты
- •4.1. Структура теста
- •З аключение
- •Приложение 1 задания к контрольной работе № 1
- •Приложение 2 задания к контрольной работе № 2
- •1.Для отливки ответственных зубчатых колес, шкивов и т.Д. Используются серые чугуны. Выберите марки чугунов, их состав, структуру и свойства. Зарисуйте микроструктуру этих чугунов.
- •Приложение 3 диаграммы состояний
- •Учебное пособие по материаловедению и технологии конструкционных материалов
2.1.2. Образование аустенита из перлита и рост аустенитного зерна при нагреве
Образование аустенита из перлита при эвтектоидной температуре А1 может осуществляться, согласно диаграмме Fе-С, лишь при бесконечно медленном нагреве. При обычных скоростях нагрева превращение протекает, как уже отмечалось, при более высокой температуре (Ас1). Расположение кривых начала и конца превращения (см. рис. 2.2) показывает, что чем быстрее осуществляется нагрев, тем при более высокой температуре и тем быстрее протекает превращение перлита в аустенит.
Зародыши аустенита в перлите появляются на границе между зёрнами (пластинами) феррита и цементита и растут одновременно в сторону феррита и в сторону цементита. К моменту исчезновения ферритных прослоек всегда остаётся не полностью растворившийся цементит. Для растворения остатков цементита и выравнивания состава аустенита (гомогенизация) требуется дополнительная выдержка при температуре превращения.
В углеродистых сталях образование и гомогенизация аустенита протекают быстро. Время выдержки в печи после нагрева составляет максимум несколько минут. Гомогенизация аустенита идёт гораздо дольше в легированных сталях, так как в них неравномерно распределены между ферритом и карбидом как углерод, так и легирующие элементы. Последние диффундируют в стали значительно (на порядки) медленнее, чем углерод, поэтому и требуется более длительная выдержка легированных сталей в печи после нагрева.
Рассмотрим склонность аустенитного зерна к росту при нагреве. От размера зерна аустенита зависит действительный размер зерна после термической обработки, от которого зависят механические свойства изделия. Особенно чувствительна к размеру аустенитного зерна ударная вязкость, которая падает с укрупнением зерна.
К концу превращения перлита в аустенит зерно получается мелким, в связи с сильно развитой ферритокарбидной поверхностью раздела, на которой образуется большое число центров аустенита. После образования зерна аустенита способны к росту, движущей силой которого является свободная энергия границ. С повышением температуры рост зерна аустенита ускоряется.
Увеличение концентрации углерода способствует росту зерна, что можно объяснить понижением солидуса. Повышение содержания углерода сверх предельной концентрации в аустените (линия ЕS диаграммы состояния Fе-С) затрудняет рост аустенитного зерна, что объясняется тормозящим действием цементитной сетки.
Почти все легирующие элементы тормозят рост аустенитного зерна при нагреве. Исключение составляет марганец, который усиливает рост. Наиболее сильно тормозят рост зерна V, Al и Zr, умеренно тормозят рост зерна W, Mo и Cr и слабо действуют Ni и Si. Основной причиной этого действия легирующих элементов считается образование труднорастворимых в аустените карбидов и оксидов, которые являются барьерами для растущего зерна.
Разные плавки одной и той же марки могут сильно различаться по склонности к росту аустенитного зерна, так как они содержат разные количества мельчайших примесей – карбидов, окислов, сульфидов и нитридов, затрудняющих рост зерна. Поэтому склонность стали к росту зерна при нагреве зависит не только от содержания легирующих элементов и углерода, но и от металлургического качества, т.е. от той ее истории, которая предшествует термообработке. В связи с этим различают наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые стали.
В наследственно крупнозернистой стали зерно интенсивно растёт при относительно небольших превышениях температуры над точкой Ас3. В наследственно мелкозернистой стали мелкое аустенитное зерно получается в широком диапазоне температур: от точки Ас3 до 950-1100С. Переход через этот температурный порог приводит к перегреву наследственно мелкозернистой стали (интенсивному укрупнению зерна и связанному с этим падению ударной вязкости).
Для определения склонности стали к росту зерна пользуются стандартной технологической пробой, которая состоит в следующем. Доэвтектоидную сталь цементируют при 930С в течение 8 ч с последующим медленным охлаждением. Размер зерна определяют по карбидной сетке, окаймляющей границы аустенитных зёрен. Заэвтектоидные стали нагревают до 930С и после выдержки в течение 3 ч медленно охлаждают. Размер зерна определяют по сетке вторичного цементита, выделяющегося по границам аустенитных зёрен.
Температура нагрева 930С выбрана по следующим соображениям. Для большинства сталей температура нагрева при основных видах термообработки не превышает 930С. При этом наследственно мелкозернистая сталь при 930С ещё сопротивляется интенсивному росту зерна, а в наследственно крупнозернистой стали при этой температуре вырастает крупное зерно.
Следует отметить, что особенно сильно влияет на рост аустенитного зерна при нагреве стали алюминий. Наследственно мелкозернистую сталь получают введением в ковш перед её разливкой примерно 0,05% Al. Мельчайшие частицы нитридов и окислов алюминия как барьеры тормозят рост зёрен аустенита. Интенсивный рост зерна в наследственно мелкозернистой стали выше температур 950-1100С объясняется растворением и возможно коагуляцией (укреплением, слиянием) барьерных частиц.