Методические указания к лабораторным работам по дисциплинам «Физическое металловедение специальных сталей» и «Физическое материаловедение» (90

её, характерное (строчечное) расположение неметаллических включений.

Полностью устранить полосчатую структуру нельзя. Её можно немного улучшить при отжиге или нормализации за счёт выравнивания зерна. Поэтому в большинстве случаев она остаётся и несёт в себе анизотропию свойств.

Сталям с содержанием хрома >2%(масс.), легированным сильными карбидообразующими элементами: вольфрамом, молибденом, ванадием и др.,

присуща карбидная ликвация. При кристаллизации, в зависимости от

химического состава в них может выделяться эвтектика ледебуритного типа

или крупные первичные карбиды и эвтектика ледебуритного типа. С такой грубой структурой сталь не используется. Слиток уковывается в 15-20 раз для

измельчения этих структурных составляющих. И всё-таки после горячей прокатки структура характеризуется строчечным расположением карбидов,

которое оценивается по ГОСТ 19265-73. Наличие карбидной ликвации приводит к анизотропии свойств. Устранить карбидную ликвацию полностью нельзя, можно только уменьшить. Для этого следует при кристаллизации увеличивать скорость охлаждения, чтобы выделяющиеся карбиды и эвтектика имели более высокую дисперсность, а также по возможности использовать гомогенизирующий отжиг слитков. Ковка является основной операцией,

измельчающей карбидную фазу.

Крупное зерно с сеткой феррита по границам зёрен, видманштеттова структура в доэвтектоидной стали могут быть получены после ковки, после

перегрева при термической обработке, в сварных швах. Это приводит к

23

ухудшению пластических свойств и ударной вязкости. Исправляют такую структуру полным отжигом. Устранение видманштеттовой структуры в заэвтектоидых сталях связано с применением нормализации и последующего неполного или изотермического отжига.

Структура перегрева, полученная при закалке, не может быть устранена при последующей закалке. Чтобы не было наследования бывшего крупного зерна аустенита, требуется обязательно провести отжиг, а затем повторить операцию закалки.

Если перегрев был осуществлён под линию солидус, то получается

структура пережога: крупные зёрна с частично оплавленными и окисленными границами. Это неисправимый брак.

Если вместо полной закалки в доэвтектоидной стали проведена неполная закалка и в структуре получен мартенсит закалки, аустенит остаточный и феррит, то такой брак устраняется по аналогичной цепочке: полный отжиг,

полная закалка.

Закалочные трещины являются результатом резкого охлаждения или нагрева вследствие возникающих при этом внутренних напряжений, как термических, так и структурных; неравномерного охлаждения, наличия у деталей острых углов, канавок; наличия в стали неметаллических включений,

раковин и других дефектов.

Структурные изменения, происходящие в стали при термической

обработке, вызывают изменение объёма (деформацию), а неравномерность

24

охлаждения – искажение внешней формы (коробление). Наибольший объём из структур имеет мартенсит, поэтому при закалке с получением мартенситной структуры будет увеличиваться объём детали. Коробление может происходить без изменения объёма (под влиянием термических напряжений) и с изменением объёма (под влиянием структурных напряжений).

Для предотвращения деформации и коробления необходимо обеспечить медленное охлаждение в интервале температур мартенситного превращения путём ступенчатой или изотермической закалки в двух средах; изготовление деталей из легированных сталей, чтобы их можно было закаливать в масле.

Уменьшение коробления достигается правильным способом погружения детали в охлаждаемую жидкость, например, длинные стержневые детали необходимо охлаждать в вертикальном положении, закаливать в закалочных машинах и штампах. Коробление деталей исправляется правкой и рихтовкой.

При наличии на поверхности детали окалины или других загрязнений, т.е.

при неравномерном охлаждении вместо мартенсита может образоваться троостит или сорбит. Твёрдость после такой закалки не получается однородной и имеет место пятнистая закалка. Способами борьбы с пятнистой закалкой являются предохранение деталей от образования окалины в процессе нагрева,

очистка их перед закалкой, а лучше всего использование при термической обработке защитных атмосфер.

Нафталиновый излом проходит по телу крупных зёрен (по

кристаллографическим плоскостям) и отличается характерным блеском,

25

похожим на блеск кристаллов нафталина. В случае нафталинового излома существенно снижается ударная вязкость.

Нафталиновый излом связан с образованием при перегреве крупных зёрен аустенита, обладающих определённой текстурой. При последующем охлаждении продукты распада аустенита (мартенсит, бейнит, перлит)

наследуют ориентировку аустенита и излом идёт по кристаллографическим направлениям, связанным с ориентировкой бывших аустенитных зёрен.

Нафталиновый излом часто обнаруживается после повторной закалки перегретой стали. В этом случае при повторном нагреве сохраняются ориентировки, возникшие при предшествующем нагреве. Нафталиновый излом исправляют отжигом.

Камневидный излом имеет матовый оттенок, проходит по границам зёрен и выявляет их огранку. Наблюдается после высокотемпературного нагрева

(>1250оС) деформированной стали. Различают первичный камневидный излом,

наблюдаемый непосредственно после перегрева и охлаждения, и устойчивый камневидный излом, встречающийся после перегрева и последующей термической обработки (нормализации, закалки с отпуском и др.).

Склонность к образованию камневидного излома зависит от присутствия в стали серы, марганца, алюминия, титана. Механизм образования камневидного излома состоит в следующем. При нагреве до 1300-1350оС зерно аустенита вырастает до 1-5 мм. При этих температурах в нём растворяются

карбиды, нитриды и сульфиды. Свободная сера и азот, адсорбируясь по

26

границам зёрен, образуют плёнки сульфидов железа и марганца, а также

нитридов алюминия. Такое расположение сульфидов и нитридов по границам

уменьшать содержание серы и повышать содержание марганца. Особо высокой склонностью к образованию камневидного излома отличается сталь,

легированная алюминием 38ХМЮА.

В целях снижения склонности к камневидному излому в сталь добавляют

<0,05(масс.) титана и РЗМ. Титан связывает азот, не позволяя образоваться

нитридам алюминия, а РЗМ – серу в стабильные нитриды.

Устойчивый камневидный излом может быть несколько ослаблен только

гомогенизирующим отжигом при 1050-1100оС. Устранить этот дефект позволяет горячая прокатка.

При цементации могут быть получены следующие виды брака. 1. Глубина цементованного слоя не соответствует заданной

Чрезмерная или недостаточная глубина цементованного слоя получается

вследствие неправильно установленного времени выдержки. Если выдержка велика, то глубина слоя получается больше заданной. Это неисправимый брак.

Глубина цементованного слоя определяется на образце, прошедшем

27

цементацию с последующим отжигом, при увеличении ×100 от поверхности образца до места со структурой 50% перлита+50% феррита.

2. Слишком высокое или низкое содержание углерода в поверхностном

слое

Слишком высокое содержание углерода в поверхностном слое получается главным образом при высоком углеродном потенциале среды и высокой температуре самой цементации. В структуре поверхностного слоя после такой цементации будет повышенное содержание крупных карбидов или в виде сетки. Это неустранимый брак.

Низкое содержание углерода в поверхностном слое вызвано с низким углеродным потенциалом среды. В структуре поверхностного слоя после цементации в этом случае карбидов может не быть совсем.

3. Отслаивание цементованного слоя Отслаивание цементованного слоя происходит, когда поверхность имеет

высокую твёрдость (>63 HRC), а сердцевина - достаточно низкую (<20-25 HRC). И в структуре сердцевины наряду с закалочными структурами может быть феррит. В таком случае нужно выбирать легированные, хорошо прокаливающиеся стали, чтобы избежать получения феррита в процессе закалки.

4. Недостаточная твёрдость на поверхности Этот дефект связан с получением большого количества аустенита

остаточного в процессе закалки в поверхностном слое. Это может быть связано

28

с применением для цементации высоколегированной стали и высоким углеродным потенциалом среды, что приведёт к получению в поверхностном слое содержания углерода более 1%(масс.).

5. Пятнистая твёрдость на поверхности Чередование мягких и твёрдых пятен на поверхности является

следствием небрежной подготовки детали к цементации. Изделия могли быть плохо очищены, на них могли остаться окалина, грязь, масляные пятна. Это приводило к уменьшению критической скорости закалки в этих местах и, как следствие, получению немартенситных структур. Тщательная поверхностная подготовка изделий к цементации позволит избежать данный брак.

Порядок выполнения работы

1.Студенты получают коллекцию образцов различных марок сталей с дефектами.

2.Все марки стали заносят в таблицу 1, расшифровывают химический состав и определяют критические точки стали.

Таблица 1

Химический состав и критические точки стали

29

3. Образцы полируют и травят, фотографируют при увеличении ×100,

×500.

4. Брак описывают, объясняют причины его появления и приводят способ устранения. Данные п.3. и 4 вносят таблицу 2.

Отчёт должен содержать таблицы 1 и 2.

Контрольные вопросы

1.Какие дефекты слитка вам известны?

2.Что такое ликвация?

3.Можно ли устранить зональную ликвацию?

4.Что такое дендритная ликвация и как её устранить?

5.Каковы причины образования и способы устранения карбидной ликвации?

устранить?

30

Библиографический список

1. ГОСТ 19265-73. Прутки и полосы из быстрорежущей стали [Текст]. – Введ.

1975-01-01. – М: Изд-во стандартов, 1986. - 36 с.

2. Дефекты стали [Текст]: справочник/ под ред. С.М. Новокщеновой и М.И.

Виноград, – М.: Металлургия, 1984. –200 с.

3.Атлас дефектов стали [Изоматериал] – М.: Металлургия, 1979. –186 с.

4.ГОСТ 1763-68. Сталь. Методы определения глубины обезуглероженного слоя

[Текст]. - Введен 1973-07-01. – М: Изд-во стандартов, 1994. - 3 с.

5. ОСТ 23.4.52-83. Сталь цементованная и нитроцементованная для зубчатых колёс. Методы контроля качества микроструктуры и толщины слоя [Текст]. –

Введ. 1986-01-01. – Волгоград: Волгоградский сельскохозяйственный институт, 1985. - 18 с.

31

Методические указания

к лабораторным работам по дисциплинам «Физическое металловедение специальных сталей» и

«Физическое материаловедение»

Составители Торопцева Елена Львовна

Косинова Ольга Анатольевна

Редактор Г.В. Казьмина

Издательство Липецкого государственного технического университета. Полиграфическое подразделение Издательства ЛГТУ.

398600 Липецк, ул. Московская, 30.

32