Лабораторная работа №3 диаграмма состояния сплавов системы железо-углерод

Цель работы: ознакомление с диаграммой состояния системы железо-углерод; ее анализ; классификация железоуглеродистых сплавов.

Оборудование и материалы: диаграмма железо-углерод, атлас макро- и микроструктур.

1. Теоретическое введение

1.1. Диаграмма состояния железо-углерод

Сплавы на основе железа и углерода – стали, и чугуны широко используются для создания конструкционных материалов в различных отраслях промышленности. Несмотря на бурное развитие технологии создания различного рода материалов роль железоуглеродистых сплавов по-прежнему остается исключительно важной. По этой причине именно сплавам системы железо-углерод уделяется достаточно большое внимание в процессе изучения предмета «материаловедение».

Железо – металл серебристого цвета. Температура плавления 1539 ºС. Атомный радиус 1,27 Å. Железо существует в трех полиморфных модификациях:

- α-железо с ОЦК кристаллической решеткой стабильно при температурах ниже 911 ºС. При температуре 911 ºС точка G на диаграмме происходит полиморфное превращение

α-Fe ↔ γ-Fe,

заключающееся в смене типа кристаллической решетки

ОЦК ↔ ГЦК;

- γ-железо с ГЦК решеткой стабильно в интервале температур 911-1392 ºС. При температуре 1392 ºС точка N на диаграмме происходит полиморфное превращение

γ-Fe ↔ δ-Fe,

заключающееся в смене типа кристаллической решетки

ГЦК ↔ ОЦК;

- δ-железо с ОЦК решеткой стабильно при температурах от 1392 ºС до 1539 ºС (температура плавления железа);

Углерод – неметалл. Температура плавления 3500 ºС. Атомный радиус 0,77 Å. Углерод полиморфен. Стабильная модификация – графит. Метастабильная модификация – алмаз. Растворим в железе в твердом и жидком состоянии. Образует с железом химическое соединение – цементит Fe₃C (6,67% С).

Диаграмма состояния железо-углерод (метастабильная) показана на рисунке. В зависимости от состояния, в котором находится углерод возможно существование двух диаграмм состояния рассматриваемой системы. В реальных условиях охлаждения сплавов системы железо-углерод углерод выделяется в в виде химического соединения Fe₃C, называемого цементитом. Диаграмма железо-цементит называется метастабильной. В условиях медленного охлаждения и в присутствии графитизаторов углерод выделяется в виде графита. Диаграмма железо-графит называется стабильной.

В системе железо-углерод в определенных областях диа- граммы стабильно существуют следующие фазы: жидкость; α-(δ)-феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-железе; аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе; цементит – Fe₃С – химическое соединение; графит (стабильная диаграмма железо-углерод).

Характерными точками на диаграмме Fe–Fe₃С являются: А (1539 ºС) – температура плавления железа; D (1550 ºС) – температура плавления цементита; N (1392⁰С) и G (911 ºC) – температуры полиморфного -превращения.

Для других характерных точек диаграммы необходимо знать и температуру, и концентрацию углерода:

В – концентрация углерода (0,51 %) в жидкой фазе, находящейся в равновесии с δ-ферритом и аустенитом в процессе перитектического превращения (1499 ºС);

H – (0,1 % С) – предельная концентрация углерода в -феррите (1499 ºС);

Диаграмма железо-углерод метастабильная

J – (0,16 % С) – предельная концентрация углерода в аустените при 1499 ºС (перитектика);

Е – (2.14 % С) – предельная концентрация углерода в аустените при температуре эвтектического превращения (1147 ºС);

S – (0,8 % С) – предельная концентрация углерода в аустените при температуре эвтектоидного превращения (727 ºС);

С – (4.3 % С) – предельная концентрация углерода в жидкой фазе при эвтектической температуре (1147 ºС);

Р – (0,025 % С) – предельная концентрация углерода в α – феррите при эвтектоидной температуре (727 ºС);

Q – (0,006 % С) - предельная концентрация углерода в феррите при комнатной температуре.

Физический смысл линий на диаграмме Fe – Fe₃C:

АВ – часть линии ликвидус, показывающая температуру начала кристаллизации δ – феррита из жидкой фазы;

ВС – часть линии ликвидус – показывающая температура начала кристаллизации аустенита из жидкой фазы;

СD – часть линии ликвидус – показывающая температуру начала кристаллизации первичного цементита из жидкой фазы;

HJB – линия перитектического превращения Ж_В+Ф_Н А_J;

ЕСF (часть линии солидус) – линия эвтектического превращения Ж_C А_E + Ц (индекс не ставится, так как цементит – это фаза постоянного состава);

РSК – линия эвтектоидного превращения А_S Ф_Р + Ц.

Все сплавы системы Fe–Fe₃C с концентрацией углерода от 0,025 до 6,67% претерпевают эвтектоидное превращение, так как аустенит (γ-фаза) стабилен только при температурах выше 727 ⁰С (линии РSК). Сплавы с концентрацией углерода от 2,14 до 6,67% (чугуны) претерпевают и эвтектическое, и эвтектоидное превращение.

Следует отметить, что левый верхний угол диаграммы Fe–Fe₃C не имеет практического значения по той причине, что все виды термической обработки сталей производятся из аустенитной области.

1.2. Анализ диаграммы железо-углерод

Рассмотрим процесс кристаллизации сплавов различных составов.

Сплав состава 1 кристаллизуется из жидкого состояния. Линия состава сплава 1 показана пунктиром на рисунке.

В процессе понижения температуры от точки 1 до температуры соответствующей точке пересечения линии состава сплава 1 с линией ликвидуса (участок ВС) сплав в соответствии с диаграммой остается жидким. При достижении температуры соответствующей точке пересечения линии состава с линией ликвидуса начинается процесс кристаллизации аустенита из жидкой фазы. Так как в этой точке процесс кристаллизации только начинается, то в соответствии с правилом рычагов количество кристаллов аустенита равно нулю. Состав кристаллов аустенита определяется по линии солидуса (участок JE). Состав жидкой фазы определяется по линии ликвидуса (участок ВС). По мере понижения температуры ниже точки пересечения линии состава с линией ликвидуса доля кристаллов аустенита в сплаве растет, а доля жидкой фазы падает (в соответствии с правилом рычагов). При этом состав кристаллов аустенита с понижением температуры меняется по линии солидуса и при температуре эвтектического превращения достигает состава соответствующего точке Е, а состав жидкой фазы меняется по линии ликвидуса и при достижении температуры эвтектического превращения достигает состава соответствующего точке С. И так, при температуре эвтектического превращения сплав состоит из кристаллов аустенита которые выделились из жидкой фазы в процессе ее охлаждения (от температуры соответствующей точке пересечения линии состава с линией ликвидуса до температуры эвтектического превращения) состава точки Е в количестве соответствующем отрезку коноды Еt_Э и жидкой фазы в количестве соответствующем отрезку коноды t_ЭС состава точки С. Жидкость состава точки С кристаллизуется в эвтектику ледебурит по реакции

а кристаллы аустенита превращений не испытывают.

В сталях эвтектика имеет имя собственное – ледебурит.

После завершения кристаллизации жидкости состава точки С при температуре эвтектического превращения сплав состоит из кристаллов аустенита состава точки Е и эвтектики ледебурит.

Понижение температуры ниже температуры эвтектического превращения приводит к выделению кристаллов цементита вторичного из кристаллов аустенита. Содержание углерода в аустените меняется в соответствии с линией ЕS – линией предельной растворимости углерода в аустените. Как видно из диаграммы, показанной на рисунке, содержание углерода в аустените уменьшается с понижением температуры по линии ЕS и при температуре эвтектоидного превращения аустенит имеет состав точки S. То есть в процессе понижения температуры от температуры эвтектического превращения до температуры эвтектоидного превращения содержание углерода в аустените снижается с 2,14% С (состав точки Е) до 0,8% С (состав точки S). Понижение концентрации углерода в аустените с понижением температуры возможно только в том случае если углерод выходит из аустенита. Выделение же углерода из аустенита возможно только в виде цементита вторичного, так как фазы углерода на метастабильной диаграмме нет. Следовательно, кристаллы цементита вторичного появятся в сплаве в процессе понижения температуры ниже эвтектической в результате распада пересыщенного аустенита с выделением из него кристаллов цементита. Чем ниже температура, тем выше доля кристаллов цементита вторичного в сплаве.

Таким образом, при температурах ниже температуры эвтектического превращения, вплоть до температуры эвтектоидного превращения сплав состоит из кристаллов аустенита, цементита вторичного и ледебурита.

Как было отмечено ранее, при температуре эвтектоидного превращения кристаллы аустенита достигают состава точки S и аустенит состава точки S при температуре эвтектоидного превращения превращается в эвтектоид перлит по реакции

После завершения эвтектоидного превращения при температурах ниже температуры эвтектоидного превращения сплав состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита.

Если рассмотреть процесс охлаждения сплава эвтектического состава – состава точки с, то в результате его кристаллизации образуется только эвтектика.

Чем ближе состав сплава к точке С, тем больше доля эвтектики и меньше доля кристаллов аустенита. Чем дальше состав сплава от точки С, тем меньше доля эвтектики и больше доля кристаллов аустенита, в соответствии с правилом рычагов.

Во всех случаях, когда линия состава сплава пересекает линию эвтектического превращения ЕCF, в составе сплава будет присутствовать эвтектика.

Для сплавов, состав которых лежит правее точки С, полностью справедливы все рассуждения приведенные выше, поэтому на сплаве состава 2 останавливаться не будем. Предлагается студенту самостоятельно разобрать превращения происходящие в сплаве состава 2.

Рассмотрим превращения, происходящие со сплавом состава 3 при его охлаждении из однофазной аустенитной области. Линия состава сплава 3 показана пунктиром на рисунке.

В процессе понижения температуры от точки 3 до температуры соответствующей точке пересечения линии состава сплава 3 с линией ЕS сплав в соответствии с диаграммой остается однофазным аустенитом. При достижении температуры соответствующей точке пересечения линии состава с линией ЕS начинается процесс распада аустенита с выделением из него кристаллов цементита вторичного. Так как в этой точке распад аустенита только начинается, то в соответствии с правилом рычагов количество цементита вторичного равно нулю. Состав кристаллов аустенита определяется по линии ЕS. Состав кристаллов цементита вторичного определяется по линии DFKL (отрезок FK) и считается постоянным, так как цементит – химическое соединение. Двумя страницами ранее была рассмотрена причина выделения кристаллов цементита вторичного из аустенита. При понижении температуры от точки пересечения линии состава с линией ЕS до температуры эвтектоидного превращения состав кристаллов аустенита меняется по линии ЕS и при температуре эвтектоидного превращения аустенит достигает состава точки S. При достижении температуры эвтектоидного превращения Сплав состоит из кристаллов аустенита состава точки S в количестве соответствующем отрезку коноды St_Эв и кристаллов цементита в количестве соответствующем отрезку коноды t_ЭвК. Кристаллы аустенита состава точки S испытывают эвтектоидное превращение по реакции (3.2), а с ранее выделившимися кристаллами цементита ничего не происходит. После завершения эвтектоидного превращения сплав состоит из перлита и цементита вторичного.

Рассмотрим превращения, происходящие со сплавом состава 4 при его охлаждении из однофазной аустенитной области. Линия состава сплава 4 показана пунктиром на рисунке.

В процессе понижения температуры от точки 4 до температуры соответствующей точке пересечения линии состава сплава 4 с линией GS сплав в соответствии с диаграммой остается однофазным аустенитом. При достижении температуры соответствующей точке пересечения линии состава с линией GS начинается процесс распада аустенита с выделением из него кристаллов α-феррита. Распад аустенита сопровождается превращением. Так как в этой точке распад аустенита только начинается, то в соответствии с правилом рычагов количество α-феррита равно нулю. Состав кристаллов аустенита определяется по линии GS. Состав кристаллов α-феррита определяется по линии GР.

В процессе понижения температуры от точки пересечения линии состава с линией GS эвтектоидного превращения PSK количество аустенита уменьшается, а количество кристаллов в сплаве растет. Состав кристаллов аустенита при этом меняется по линии GS и при температуре эвтектоидного превращения аустенит достигает состава точки S, а состав кристаллов α-феррита изменяется по линии GP и при температуре эвтектоидного превращения α-феррит достигает состава точки Р.

Таким образом, при температуре эвтектоидного превращения сплав состоит из кристаллов α-феррита состава точки Р в количестве соответствующем отрезку коноды t_ЭвS и кристаллов аустенита состава точки S в количестве соответствующем отрезку коноды Рt_Эв.

Кристаллы аустенита состава точки S испытывают эвтектоидное превращение по реакции (3.2). Кристаллы α-феррита превращений не испытывают. И при температурах ниже температуры эвтектоидного превращения сплав состоит из α-феррита и перлита в соответствии с диаграммой.

Рассмотрим превращения, происходящие со сплавом состава 5 при его охлаждении из однофазной аустенитной области. Линия состава сплава 5 показана пунктиром на рисунке.

При достижении температуры соответствующей точке пересечения линии состава 5 с линией GS начинается процесс распада аустенита с выделением из него кристаллов α-феррита. Распад аустенита сопровождается -превращением. Так как в этой точке распад аустенита только начинается, то в соответствии с правилом рычагов количество кристаллов α-феррита равно нулю. Состав кристаллов аустенита определяется по линии GS. Состав кристаллов α-феррита определяется по линии GР.

При понижении температуры от точки пересечения линии состава 5 с линией GS до температуры соответствующей точке пересечения линии состава 5 с линией GP состав кристаллов аустенита меняется по линии GS, а состав кристаллов α-феррита по линии GP. При температуре соответствующей точке пересечения линии состава 5 с линией GP аустенит полностью превращается в α-феррит состав которого соответствует составу сплава 5.

В процессе дальнейшего понижения температуры от температуры соответствующей точке пересечения линии состава 5 с линией GP до температуры соответствующей точке пересечения линии состава 5 с линией PQ сплав остается однофазным α-ферритом.

При достижении температуры соответствующей точке пересечения линии состава 5 с линией PQ начинается распад α-феррита с выделением из него кристаллов цементита третичного. По причинам рассмотренным ранее. Линия PQ – это линия предельной растворимости углерода в α-феррите. Не трудно видеть, что по мере понижения температуры растворимость углерода в α-феррите падает в соответствии с линией PQ. Для того чтобы содержание углерода в α-феррите уменьшалось необходимо, чтобы углерод из него выходил. Углерод из α-феррита может выходить только в виде кристаллов цементита, так как фазы чистого углерода на метастабильной диаграмме нет. Соответственно при температурах ниже температуры соответствующей точке пересечения линии состава 5 с линией PQ сплав состоит из α-феррита и цементита третичного в соответствии с диаграммой.

Кристаллы цементита различаются по фазам из которых они образовались. Цементит первичный кристаллизуется из жидкости. Цементит вторичный выделяется из аустенита. Цементит третичный из α-феррита.

1.3. Классификация железоуглеродистых сплавов

Сплавы железа с углеродом, содержащие менее 0,025% С называются техническим железом.

Стали делятся на доэвтектоидные с содержанием углерода от 0,025% С до 0,8% С (состав левее точки S), эвтектоидные с содержанием углерода 0,8% С (состав точки S) и заэвтектоидные с содержанием углерода от 0,8% С до 2,14% С (состав от точки S до точки Е).

Над всеми сталями располагается однофазная область аустенита. Именно по этому признаку разделяются стали и чугуны. Аустенит исключительно пластичная фаза, поэтому все стали обладают высокой пластичность при повышенных температурах в аустенитной области.

Чугуны классифицируются на доэвтектические с содержанием углерода от 2,14% С до 4,3% С (состав от точки Е до точки С), эвтекические с содержанием углерода 4,3% С (состава точки С) и заэвтектические с содержанием углерода от 4,3% С до 6,67% С (состава от точки С до точки К).

В зависимости от химического состава, условий охлаждения и термической обработки сплава различают следующие виды чугунов:

1. Белый чугун. Весь углерод в виде цементита. Белые чугуны в соответствии с метастабильной диаграммой железо-цементит кристаллизуются в условиях охлаждения с достаточно высокими скоростями. Структурным признаком белого чугуна является наличие эвтектики – ледебурит. Структура такого чугуна: перлит, ледебурит, цементит.

2. Половинчатый чугун. Кристаллизуется частично по стабильной, частично по метастабильной диаграмме железо-углерод. После затвердевания в структуре такого чугуна присутствует графитная эвтектика и ледебурит. Более 0,8% С в виде Fe₃C. Структура такого чугуна: перлит, ледебурит, пластинчатый графит.

3. Серый чугун. Кристаллизуется по стабильной диаграмме железо-графит в условиях очень медленного охлаждения и в присутствии графитизирующих добавок (Si, Ni и т.д.). Углерод в значительной степени или полностью находится в виде графита, который выделяется в виде пластинок, глобул, хлопьев, розеток с пластинчатыми краями. Структурным признаком серого чугуна является наличие в его структуре графита и отсутствие ледебурита.

- перлитный серый чугун. 0,7% С–0,8% С в виде Fe₃C. Структура такого чугуна: перлит, и пластинчатый графит;

- ферритно-перлитный серый чугун. 0,1% С – 0,7% С в виде Fe₃C. Структура такого чугуна: перлит, феррит и пластинчатый графит;

- ферритный серый чугун. Весь углерод в виде графита. Структура такого чугуна: феррит, пластинчатый графит.

4. Высокопрочный чугун. Получается при добавлении в жидкий расплав специальных поверхностноактивных элементов (Mg) – модификаторов, в результате чего графит приобретает шаровидную форму.

5. Ковкий чугун. Получается путем длительного отжига белого чугуна при высоких температурах. При этом цементит разлагается на железо и графит, называемый графитом отжига и имеющий форму изолированных хлопьевидных включений.

В прил. 3 показаны структуры железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии.

2. Задание

1. Вычертите в удобном масштабе метастабильную диаграмму железо-цементит.

2. Проанализируйте один из сплавов метастабильной диаграммы железо – цементит.

3. Постройте кривую охлаждения, определите число фаз, их химический состав и массу для сплава заданного состава при определенной преподавателем температуре.

4. Опишите равновесную структуру сплава заданного состава при комнатной температуре.

5. Постройте кривую нагрева сплава системы Fe – Fe₃C и проанализируйте соответствующие превращения и структуры.

6. Посмотреть под микроскопом и зарисовать структуры сталей и чугунов, кристаллизующихся по метастабильной и стабильной диаграммам железо-углерод.

7. Составьте отчет.

3. Содержание отчёта

1. Основные теоретические сведения о диаграмме железо-углерод и превращения в железоуглеродистых сплавах.

2. Результаты исследования сплава заданного состава.

3. Схематические изображения микроструктур по результатам микроанализа.

4. Построить кривые нагрева и охлаждения для чистого железа.

4. Контрольные вопросы

1. Поясните метастабильную диаграмму состояния железо-цементит. Поясните смысл точек и линий на диаграмме. Укажите однофазные и двухфазные области диаграммы.

2. Что означает стабильное и метастабильное состояние сплавов?

3. Дайте определение фаз и структур в системе железо-углерод.

4. В чем состоит сходство и различие цементита первичного, вторичного и третичного?

5. Объясните физическую сущность нонвариантных превращений в сплавах железо – цементит (перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное превращения).

6. Какие железоуглеродистые сплавы вы знаете?

7. В чем заключаются различия между белым, серым, ковким, высокопрочным и половинчатым чугунами.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, СТРУКТУРА

И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ В НЕРАВНОВЕСНОМ

СОСТОЯНИИ

Цель работы: получение практических навыков по выбору оптимальных режимов термической обработки стали в зависимости от ее назначения и химического состава. Изучение влияния структурных превращений, протекающих в процессе термической обработки, на строение и свойства сталей.

Оборудование и материалы: нагревательные печи, охлаждающие среды, образцы сталей, твердомер, микроскоп металлографический, атлас микроструктур сталей в неравновесном состоянии.

1. Теоретическое введение

Упрочнению термической обработкой в машиностроении подвергается до 40 % стали, потребляемой этой отраслью. Выбор материала и вида его термической обработки с целью получения максимальных технико-экономических показателей является наиболее важным и сложным звеном в процессе конструирования и изготовления изделия, определяющим его надежность и долговечность. Основными видами термической обработки, различно изменяющими структуру и свойства стали, и назначаемыми в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам и изделиям, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг в промышленности в большинстве случаев является подготовительной термической обработкой, приводящей сталь в наиболее равновесное состояние. По структуре в отожженном состоянии стали разделяются на 6 классов: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные (углеродистые и легированные), ферритные, аустенитные, ледебуритные (только легированные).

Нормализация технологически отличается от отжига только условиями охлаждения. При отжиге охлаждение производится вместе с печью, а при нормализации - на спокойном воздухе. Однако влияние нормализации на структуру и свойства стали отличается от влияния отжига и зависит от химического состава стали. В углеродистых сталях она заменяет отжиг, а в легированных - закалку. По структуре нормализации стали разделяются на 4 класса: перлитные (углеродистые и низколегированные), мартенситные (среднелегированные), аустенитные и ферритные (высоколегированные). Кроме легирующих элементов очень важное влияние на структуру стали в нормализованном состоянии оказывает углерод.

Наиболее важным и в большинстве случаев определяющим конечную структуру и свойства стали видом термической обработки является закалка. При выборе закалки в качестве операции термической обработки для конкретного материала следует помнить, что она возможна только в случае, если в материале имеют место фазовые превращения в твердом состоянии: полиморфные превращения, эвтектоидный распад, переменная растворимость компонентов в твердом состоянии. Очень важным является также, что закалка как технологический процесс является сама по себе упрочняющей обработкой. Упрочняться непосредственно после закалки могут только углеродистые и некоторые легированные стали, содержащие большое (> 0,3 %) количество углерода. В остальных случаях ускоренное охлаждение в процессе закалки препятствует диффузионным процессам и фиксирует неравновесную структуру, невозможную при медленном охлаждении. Получение неравновесной структуры может увеличивать пластичность и снижать твердость стали, т.е. разупрочнять материал.

При проведении закалки наиболее важным является выбор температуры нагрева, которая зависит от типа диаграммы и химического состава обрабатываемого сплава.

Доэвтектоидные стали с целью упрочнения подвергают закалке с температуры на 30-50 ⁰С выше линии А₃(GS). Закалка с температуры ниже линии А₁ не имеет смысла, так как фиксирует феррито-перлитную структуру, характерную для отожженного состояния. Закалка из промежуточной области между линиями А₁ и А₃ является также неправильной, т.к. наряду с мартенситом – структурой, обладающей максимальной твердостью и прочностью, достижимой в стали, имеется феррит – структура с минимальной твердостью и максимальной пластичностью. Получение феррито-мартенситной структуры является браком по недогреву. Нагрев до температур, значительно превышающих температуру А₃, приводит к росту зерна аустенита и, как следствие, получению крупноигольчатого мартенсита с пониженной ударной вязкостью (брак по перегреву). Выдержка углеродистой стали при высоких температурах вызывает также пережог и обезуглероживание.

Заэвтектоидные стали подвергают закалке из промежуточной области с температуры на 30-50 °С выше линии А₁. Присутствие в закаленной стали цементита, фазы еще более твердой, чем мартенсит, увеличивает ее твердость. Однако следует помнить, что заэвтектоидную сталь перед закалкой следует подвергать отжигу на зернистый перлит, т.к. в противном случае вторичный цементит, располагающийся по границам зерен, охрупчивает сталь. Нагрев заэвтектоидной стали выше линии А_ст нецелесообразен, т.к. требует больших затрат энергии на нагрев стали до более высоких температур, увеличивает опасность пережога и обезуглероживания, а характеристики твердости получаются более низкими. Оптимальные температуры нагрева углеродистых сталей под закалку приведены на рис.4.1а.

Стали ледебуритного класса, к которому относятся быстрорежущие стали, нагревают до более высоких температур (1200-1300 °С). Столь высокая температура необходима для более полного растворения в аустените легирующих элементов. Нагрев до столь высоких температур не приводит к перегреву, т.к. в структуре стали даже при столь высоких темпера температурах имеется много избыточных карбидов, препятствующих увеличению размеров зерен (Рис. 4.1в).

Стали аустенитного и ферритного классов не подвергают

закалке с целью упрочнения, т.к. закалка фиксирует однофазную аустенитную или ферритную структуру, характерную и для отожженного состояния, поскольку в сталях указанных классов нет превращений в твердом состоянии (рис.4.2,в).

Рис. 4.1. Оптимальная температура нагрева под закалку доэвтектоидных (а) и высоколегированных ледебуритных сталей (б)

Кроме температуры нагрева, очень важным условием получения необходимой структуры и свойств стали является выбор скорости охлаждения, определяемой охлаждающей средой. При одинаковой скорости охлаждения структура и свойства стали также будут зависеть и от ее химического состава. Влияние скорости охлаждения на структуру углеродистой стали показано на рис.4.2 а. При отжиге в углеродистой стали получается структура перлита, а при нормализации - сорбита. Закалка в масло приводит к образованию либо трооститной, либо троостито — мартенситной структуры, что в большинстве случаев является нежелательным (брак по недостаточной скорости охлаждения), т.к. не обеспечивается заданный уровень твердости. Необходимую твердость углеродистая сталь получает только при закалке в воде.

Легирование стали увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита и позволяет получать структуру мартенсита при меньших скоростях охлаждения: в масле, расплавах солей и даже на воздухе (рис.4.2,б). Закалка на мартенсит в более мягких охлаждающих средах позволяет снизить закалочные напряжения, приводящие к короблению и растрескиванию изделий, что дает легированным сталям значительные преимущества перед углеродистыми.

Заключительной операцией термической обработки стали в большинстве случаев является отпуск. Он применяется с целью приведения структуры закаленной стали в более равновесное состояние: для снятия закалочных напряжений, устранения остаточного аустенита, доведения механических свойств до требуемого уровня.

После нормальной закалки структура стали представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe , имеющий тетрагональную решетку. Объемные изменения, происходящие при образовании мартенсита, приводят к фазовому наклепу. Высокие внутренние напряжения, наличие остаточного аустенита являются нежелательными факторами, для устранения которых и используется отпуск.

Свойство отпущенной стали определяются несколькими факторами: уменьшение тетрагональности решетки, степени фазового наклона и укрупнение карбидных частиц вызывают снижение твердости и увеличение пластичности; выделение когерентных кристаллов ε - карбида и дисперсных кристаллов специальных карбидов, а также распад остаточного аустенита вызывают повышение твердости и снижение пластичности.

В доэвтектоидных сталях твердость снижается при любых нагревах, однако снижение невелико до 100-120 ºС. В заэвтектоидных сталях с более высоким содержанием углерода эффект твердения вследствие выделения ε -карбида преобладает, поэтому твердость при отпуске до 100-120 °С несколько увеличивается. Изменение твердости углеродистых сталей в интервале температур 200-300 °С в большинстве случаев зависит от количества остаточного аустенита. В заэвтектоидных сталях при этих температурах происходит задержка снижения твердости.

Рис. 4.2. Влияние скорости охлаждения на превращение аустенита в стали перлитного (а), мартенситного (б) и аустенитного (в) классов

В высоколегированных быстрорежущих сталях сильные карбидообразователи задерживают выделение карбидов железа, поэтому при температурах отпуска до 400-600 °С твердость снижается незначительно. При температурах выделения специальных карбидов в этих сталях происходит повышение твердости. Пик вторичной твердости наблюдается при температуре 500-600 °С. Затем твердость снижается (рис.4.3).

Рис. 4.3. Влияние температуры отпуска на твердость доэвтектоидной (1), заэвтектоидной (2) углеродистых и высоколегированной быстрорежущей (3) сталей

При изучении процессов отпуска следует особо подчеркнуть, что одноименные структуры закалки и отпуска (троостит и сорбит) при одинаковой твердости и прочности существенно отличаются по пластичности и вязкости. Струк Структуры, полученные при отпуске, имеют лучший комплекс механических свойств: более высокий предел текучести при одновременно более высокой пластичности. Различие в свойствах определяется особенностями структуры: феррито-цементитные смеси, образовавшиеся в результате распада аустенита, имеют пластинчатое строение, тогда как структуры, полученные при отпуске мартенсита, состоят из феррита, сохраняющего определенную дозу фазового наклепа и глобулярных карбидов.

Наиболее быстрым и доступным способом оценки механических свойств материалов является измерение их твердости. Под твердостью понимается свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела (индентора) определенной формы и размера. Эта формулировка пригодна не для всех существующих методов оценки твердости. Разнообразие этих методов и разный физический смысл чисел твердости затрудняют выработку общего определения твердости как механического свойства. В разных методах и при различных условиях проведения испытания числа твердости могут характеризовать упругие свойства, сопротивление пластической деформации, сопротивление металла разрушению.

Способы определения твердости делят на статические и динамические - в зависимости от скорости приложения нагрузки, а по способу ее приложения - на методы вдавливания и царапания. Наиболее распространены методы, в которых используется статическое вдавливание индентора нормально поверхности образца.

Во всех методах испытания на твердость очень важно правильно приготовить поверхностный слой образца. Он должен по возможности полно характеризовать материал, твердость которого необходимо определить. Все поверхностные дефекты (окалины, выбоины, вмятины, грубые риски и т.д.) должны быть удалены.

При измерении твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) стальной шарик диаметром D вдавливают в испытуемый образец под приложенной определенное время нагрузкой Р; после снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося на поверхности образца отпечатка (рис.4.4).

Число твердости по Бринеллю (НВ) есть отношение на

грузки P, действующей на шаровой индентор диаметром D , к площади F шаровой поверхности отпечатка:

HB=P/F (4.1)

Pис. 4.4. Схема вдавливания шарика

Рис. 4.5. Положение индентора при определении твердости по Роквеллу

Площадь отпечатка определяется и по глубине вдавливания индентора h (без снятия нагрузки)

F= πDh, (4.2)

тогда

HB=P/F=P/πDh, (кг/мм²) (4.3)

Из формул следует, что для получения одинаковых значений НВ одного и того же образца при использовании шариков разного диаметра необходимо постоянство отношений P/D² и d/D (условие геометрического подобия отпечатков при использовании шарового индентора). На практике такого постоянства добиться невозможно. Отношение d/D поддерживают в пределах 0,2 – 0,6. Рекомендуемые нагрузки и диаметры шариков для определения НВ различных металлических материалов с учетом ГОСТ 9012-59 приведены в таблице.

P,H	D,мм			Примечание
	10	5	2,5
30 D2	30000	7500	1875	Материалы с НВ 130-450 (стали, чугуны, высокопроч-ные сплавы на основе титана, никеля, меди, алюминия).
10 D2	10000	2500	625	Материалы с НВ 35-130 (алюминиевые сплавы, латуни, бронзы).
5 D2	5000	1250	312,5	Алюминий, магний, цинк, латуни.
2,5 D2	2500	625	156,3	Подшипниковые сплавы.
1,25 D2	1250	312,5	78,1	Свинец, олово, припои.
0,5 D2	500	125	31,3	Мягкие материалы при повышенных температурах.

При измерении твердости по Роквеллу индентор-алмазный конус с углом при вершине 120º и радиусом закругления 0,2 мм или стальной шарик диаметром 1,5875 мм(1/16 дюйма) -вдавливается в образец. Число твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной нагрузкой (рис. 4.5).

При использовании в качестве индентора алмазного конуса твердость определяют по двум «шкалам» - А и С. При измерении по шкале А: Р₀=100 Н; Р₁=500 Н; Р=600 Н. По шкале С: Р₀=100 Н; Р₁=1400 Н; Р=1500 Н.

Единица твердости (0,002 мм – цена деления шкалы индикатора твердомера Роквелла) по Роквеллу – безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм.

При использовании в качестве индентора стального шарика число твердости HR определяют по шкале В, т.е. при Р₀=100 Н, Р₁=900 Н, Р=1000 Н.

По шкале А измеряют твердость в пределах 70-85 единиц, по шкале В – 25-100, по шкале С – 20-67. Числа твердости, полученные разными методами статического вдавливания индентора, связаны между собой. Зная, например, значение твердости по Бринеллю, можно перевести его с некоторым приближением в число твердости по Роквеллу или Виккерсу (см. приложение 5).

2. Задания

Задание 1. Исследование влияния температуры нагрева под закалку на структуру и твердость стали:

а) выбрать и обосновать режим нагрева под закалку для стали, марка которой предложена преподавателем (сталь 45, У12, быстрорежущая сталь);

б) выбрать несколько температур нагрева под закалку для марки стали, указанной преподавателем;

в) сделать вывод о предполагаемой структуре стали после каждого эксперимента по закалке;

г) получить образцы стали, закаленные с разных температур у преподавателя, измерить их твердость и посмотреть структуру под микроскопом;

д) зарисовать структуру стали после закалки с оптимальной температуры;

е) составить отчет о работе.

Задание 2. Исследование влияния скорости охлаждения с температуры закалки на структуру и твердость стали:

а) выбрать и обосновать четыре режима охлаждения так, чтобы они наиболее полно охватывали используемый на практике диапазон скоростей охлаждения для сталей 45 или У12 по указанию преподавателя;

б) после совместного обсуждения этих режимов с преподавателем сделать вывод о предполагаемой структуре стали после каждого эксперимента по охлаждению;

в) получить образцы стали, охлажденной с разными скоростями, у преподавателя, измерить их твердость и посмотреть структуру под микроскопом;

г) зарисовать структуру стали после охлаждения с разными скоростями;

д) составить отчет о работе.

Задание 3. Исследование влияния химического состава на структуру и твердость стали после нормализации:

а) выбрать четыре марки стали, имеющие различную структуру после нормализации;

б) объяснить причины возможности образования качественно различных структур при одинаковой скорости охлаждения;

в) получить образцы стали разного состава после нормализации у преподавателя, измерить их твердость и посмотреть структуру под микроскопом;

г) зарисовать структуры сталей после нормализации;

д) составить отчет о работе.

Задание 4. Исследование влияния температуры отпуска на структуру и твердость стали, предварительно закалённой на мартенсит:

а) в интервале температур отпуска выбрать несколько температур, обеспечивающих получение различных типичных для отпуска структурных состояний;

б) выбрать и обосновать несколько марок конструкционных и инструментальных сталей, имеющих качественно разные зависимости изменения твердости от температуры отпуска;

в) получить образцы отпущенных сталей у преподавателя, измерить их твердость и посмотреть структуру под микроскопом;

г) зарисовать структуру стали после отпуска;

д) составить отчет о работе.

3. Содержание отчета

1. Краткие теоретические сведения о процессах и структурных изменениях, происходящих в стали при термической обработке.

2. Обоснование выбора материалов и режимов их термообработки.

3.Результаты измерения твердости в виде таблиц и графиков.

4. Рисунки микроструктур.

4. Контрольные вопросы

1. Что такое отжиг, закалка, нормализация, отпусе?

2. Какие структуры получаются при охлаждении аустенита с различными скоростями?

3. С какой температуры закаливают доэвтектоидную сталь?

4. С какой температуры закаливают заэвтектоидную сталь?

5. Что такое мартенсит в углеродистой стали?

6. Каковы причины изменения твердости мартенсита при изменении содержания углерода в нем?

7. Виды отпуска? Структуры, возникающие в результате отпуска?

8. Сходство и различие между структурами отпуска и структурами возникающими при распаде переохлажденного аустенита?