книги из ГПНТБ / Технология металлов и конструкционные материалы учебное пособие

сплавы (ГОСТ 17809—72). К ним относятся сплавы ти­ па ЮНД4, содержащие ~11% Al, ~ 4 % Си, ~25% Ni,

остальное.— железо.

Немагнитные стали и чугуны. Стали аустенитного класса с высоким содержанием никеля и марганца и чугуны’с содержанием 2,6—3,2% С; 2,5—3,5% Si; 5,0—

7,5% Мп и 9—12%) Ni — немагнитны. Изделия из этих материалов применяются в электрических машинах в качестве немагнитных деталей.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.

Изучение структуры железоуглеродистых сплавов

Цель работы: ознакомиться со строением и свойствами структурных составляющих железоуглеродистых сплавов, находя­ щихся в равновесном состоянии.

Задание

il. Ознакомиться с металлографическим микроскопам и методи­ кой изготовления шлифов.

й. Изучить микроструктуру доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвт0КТОИД1Иой стали в отожженном состоянии.

3.Изучить .микроструктуру белого, серого и ковкого чугуна.

4.Освоить метод приближенного определения углерода в стали, б. Составить отчет о .работе.

Оборудование и материалы

Для выполнения работы необходимы: четыре металлографиче-- ских микроскопа; четыре комплекта набора шлифов железоуглеро­ дистых сплавов с содержанием углерода, %: 0,025; 0,4; 0,8; 1,2; 3,2; 4,3; 5,0; четыре комплекта набора шлифов серого, ковкого и высоко­ прочного чу-гулов; четыре альбома фотографий микроструктур.

Методические указания

Лабораторная работа выполняется после изучения § 22. Под­ группа разбивается на 4 бригады по 3—4 человека в каждой. На каждом рабочем .месте имеется один металлографический .микроскоп,

набор шлифов железоуглеродистых сплавов и альбом фотографий микроструктур.

Преподаватель знакомит учащихся с правилами обращения с металлографическим микроскопом и приемами его настройки для наблюдения микроструктуры (регулировка и подготовка микроскопа к работе осуществляется лаборантом до занятий).

окопа МИМ-j набор объективов и окуляров дает возможность уве­ личивать объект от 60 до 1440 раз при визуальном наблюдении.

iB отличие от биологического в металлографическом микроскопе исследование структуры ведется в отраженном свете.

101

Для исследованиия микроструктуры металлов и сплавов необхо­ димо иметь микрошлнф. Микрошлнф приготавливается из образца исследуемого изделия. Образцы берут из той части изделия или за готовки, которая .представляет в данном случае наибольший интерес. Образцы вырезают ножовкой или на металлорежущих стаика-х, при этом необходимо избегать сильного нагрева образца, .чтобы не изме­ нялась его структура.

Изготовление микрошлифов сводится к следующим основным опе­ рациям: грубая шлифовка, тонкая шлифовка, поли.ровка.

|Грубая шлифовка выполняется на абразивных кругах до вырав­ нивания поверхности среза.

Тонкая шлифовка производится на шлифовальной бумаге ,пятишеСти номеров с последовательным возрастанием номера зернисто­ сти от 100 до 320. Шлифовку ведут вручную или на специальных

Рис. 45. Схема отражения света от поверхности шлифа

◄

шлифовальных станках. При шлифовке вручную шлифовальную бума­ гу кладут на ровную твердую поверхность и образец перемещают с легким прижатием его к бумаге. Шлифуют до тех пор, пока исчез­ нут следы предыдущей обработки. При переходе на более тонкую шлифовальную бумагу образец очищают от наждачной пыли и по­ ворачивают на 90°. После тонкой шлифовки образец промывают водой « подвергают полировке.

Полировку производят на полировальном станке (рис. 44), диск которого обтянут фетром, сукном или бархатом. Материал смачива­ ют полировальной жидкостью, состоящей из воды и порошка твер­ дых частиц (окйси алюминия или окиси хрома) или смазывают пастой ГОИ. Полировка продолжается 5—10 мин и заканчивается после того, как ммкрошлиф приобретает зеркальную поверхность. Далее шлиф промывают водой и сушат, после чего под микроскопом изучают шлиф для определения формы, величины и распределения неметаллических включений.

Для выявления структуры шлиф травят. В качестве травителя используют слабые спиртовые или водные растворы кислот или ще­ лочей (нанример, 4%-ный раствор ВМОз в этиловом опнрте).

102

■В результате неодинаковой стойкости к травлению структурных составляющих образца ла поверхности его шлифа проявляется микро­ рельеф; При рассмотрении освещенного шлифа под микроскопом вид­ ны сочетания света и тени (рис. 46) вследствие различного отраже­ ния света. Структура, травящаяся сильнее, кажется под микроскопом более темной. Границы зерен чистых металлов и твердых растворов будут видны под микроскопом в виде тонкой сетки. Часто зерна од­ ного и того же (металла травятся по-разному. Это объясняется тем, что в плоскости шлифа находятся зерна с различной кристаллогра­ фической ориентацией, а следов ательно, обладающие и неодинако­ вой химической активностью.

. Структура железоуглеродистых сплавов

Структурными составляющими железоуглеродистых сплавов яв­ ляются: феррит, цементит, перлит, ледебурит, графит.

Феррит в оплаве образуется .первым, и его размеры в значитель­ ной степени зависят от скорости охлаждения аустенита. При рас­ смотрении в микроскопе феррит наблюдается в виде светлых зерен (неодинаковой яркости.

Цементит наблюдается под микроскопом в различных геометри­ ческих формах в 'виде пластин, мелких зерен и сетки по границам зерен других структурных составляющих (феррита или перлита). Це­ ментит травится реактивам и медленнее, чем феррит, поэтому он как бы возвышается над последним, и при рассмотрении под микроскопом кажется более светлым. Отличить цементит от феррита в. сомни­ тельных случаях можно путем травления шлифа пнкратом натрия, который окрашивает цементит в темный цвет.

Перлит наблюдается в .микроскопе в виде чередующихся между собой темных и светлых полосок. В зависимости от формы цемен­ тита различают: пластинчатый перлит (рис. 32,в), в котором цемен­ тит имеет форму пластин; зернистый перлит (рис. 37), в котором цементит имеет форму зерен, расположенных в феррите. .Границы зе­ рен и пластин наблюдаются в виде темных линий, которые образу­ ются теныо от выступающих цементитшых часшц. Если размер цементнтиых частиц очень мал, то перлит в обычном металламикроскоие наблюдается в виде темных зерен, на которых нельзя заме­ тить пи пластин, ни зерен цементита.

собой перлит и цементит вторичный. Последний в зависимости от режима термической обработки наблюдается в виде светлых не­ больших по величине зерен либо в виде светлой сетки по границам зерен перлита.

Микроструктура доэвт.ектического белого чугуна (рис. 32,6) со­ стоит из перлита, ледебурита и цементита. Перлит наблюдается в виде темных зерен, ледебурит — отдельные участии зерен перлита, расположенных в .цементите, .цементит — светлые участки.

Структура эвтектического чугуна состоит из одной составляющей ледебурита ((рис. 32,е).

- 103

ние 100) и определяют процентное содержание структурных состав­ ляющих. Далее расчет ведут следующим образом. Например, в доэвтектоидной стали содержится 40% перлита и 60% феррита. Изве­

95-0,8

10,76% С;

100

2)100% цементита содержат 6,67% С, 5% цементита содержа Хо % С, отсюда

3)общее содержание углерода:

х= х1 + х« = 0,76 + 0,33 = 1,09% С.

Порядок выполнения работ

11. Ознакомиться с методикой изготовления микрошлифов.

2. Пользуясь альбом'ом микроструктур и рисунками:

а) внимательно рассмотреть под микроскопом набор шлифоз стали, зарисовать схемы микроструктур и определить класс стали (доэвтектоидный, эвтектоид.ный, заэвтектоидиый).

б) внимательно рассмотреть под микроскопом набор шлифов чугунов, зарисовать схемы микроструктур и определить вид чугуна (белый, серый, ковкий, высокопрочный).

Схемы изображаемых структур зарисовываются в кругах диа­ метром 50 мм. .При зарисовке следует изобразить отмеченные особен­ ности строения шлифа (точно копировать видимое изображение структуры трудно выполнимо).

104

3.Определить содержание углерода в двух образцах стали (доэвтектондной и заэвтектоидиой).

4.Составить письменный отчет о работе. В отчет включить цель

работы, задание, схемы микроструктур рассмотренных шлифов с указанием структурных составляющих, расчет содержания углерода для двух образцов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.

Практика термической обработки стали

Цель работы: получить навык по термической "обработке углеродистой стали, ознакомиться с метастабильпыми структурами.

Задание

Л Определить режим и произвести закалку образцов стали ма­

рок 30, 45, УИ0А.

|2. Определить твердость .образцов после закалки, б. Определить режим и произвести низкий, средний и высокий

отпуск образцов стали .марки 45.

4.Определить твердость образцов после 'Отпуска. »

6.Изумить и охарактеризовать структуру стали после выполнен­ ных различных видов термической обработки.

6.Сделать анализ влияния термической обработки углеродистой

стали на ее .механические свойства.

7. Ознакомиться с режимами термической обработки и структу­ рой некоторых деталей сельскохозяйственных машин.

в. Составить отчет о работе.

. 1Пр и м еч а и и е. Пункты 6 и 7 выполняются как домашнее за­ дание.

9

Оборудование и материалы

Для выполнения работы необходимо'иметь шесть печей с термо­ электрическими пирометрами; твердомер типа TiK (прибор Роквел­ ла); два металломикроскопа; шесть кузнечных клещей; три бака с водой; по двенадцати образцов углеродистой стали марки 30, 45 и У112А; шлифовальную бумагу; два комплекта набора микрошлифов со структурой мартенсита, троостита, сорбита.

Методические указания

Данная лабораторная работа выполняется после изучения §§ 123—06. Подгруппа разбивается на четыре бригады по 3—4 чело­ века в каждой. Бригаде выдаются ,по три образца одноименной мар­ ки углеродистой стали (марок 30, 45, У42А).

(Три печи нагреваются соответственно до температур 200, 400 и 600ЧС, другие три — до температуры 750—800°С.

Практика закалки и (отпуска стали

Закалка углеродистых сталей производится в целях повышения их механических свойств: твердости, предела прочности, упругости и износостойкости.

105

(Процесс закалим .состоит из следующих этапов: а) нагревания изделия до температуры закалки;

■б) выдержки изделия в течение определенного времени при за­ данной температуре;

в) охлаждения изделпя с .нужной скоростью.

Температура нагрева под закалку должна обеспечить в стали аустенитную структуру. На рис. 38 показам интервал температур для закалки статней в зависимости от содержания углерода. Еслп доэвтектондпую сталь нагревать до аустенито-ферритной структуры, то закалка будет неполная, а твердость стали — невысокая (в структу­ ре будет феррит). Заавтектоидные сталп рекомендуется напревать до аустенито-цементитной структуры, т. е. производить неполную за­ калку, тао< как цементит в структуре увеличит твердость металла.

IB случае .натрева выше рекомендованного интервала возможен перепрев стали и снижение ее свойств. Для контроля температуры в печи применяются пирометры. При отсутствии пирометров темпе­ ратуру ориентировочно можно определять .по цветам каления. Цвет

каления стали в зависшиости от температуры, °С, изменяется следу­ ющим образом:

Время натрева и выдержки изделий из углеродистой стали за­ висит от температуры нагрева, .напревающей среды и формы изделий. 13 табл. 3 приведены условия натрева стали при термической обра­ ботке в лабораторных электрических лечал.

Скорость охлаждения при закалке оказывает влияние на струк­ туру и свойства стали. Для получения структуры мартенсита в уг­ леродистых сталях необходимо охлаждение со скоростью 400—600°С в секунду в интервале 600—400°С. Снижение скорости приводит к

106

При закалке важным является медленное охлаждение стали в (интервале температур, при которых происходит превращение аусте­ нита в мартенсит (300°С), так как непосредственный .переход аусте­ нита в .мартенсит не требует больших скоростей охлаждения и, кро­ ме того, если превращение аустенита в мартенсит будет происхо­ дить при медленном охлаждении, то изменение его объема по сече­ нию протекает равномерно и тем самым снижаются внутренние на­ пряжения и деформации.

В табл. 4 приведены скорости охлаждения, получаемые в неко­

торых наиболее распространенных охлаждающих средах.

Важное значение при закалке имеет способ .погружения изделия в охлаждающую жидкость (рис. 46).

Рис, 46. Способы погружения изделия в жидкость

iHanpaB-нлъное погружение приводит к неравномерному распре­ делению в металле внутренних напряжений, что может вызвать ко­ робление изделий, а также недостаточную твердость его отдельных частей. Изделия, имеющие несквозные отверстия, следует погружать в охлаждающую жидкость закрытой стороной, чтобы воздух и пар могли выйти в отверстия, а вода проникла в него. Детали, имеющие вогнутую поверхность, нельзя погружать вогнутой1 поверхностью вниз, так как образующаяся паровая рубашка не даст этому месту за­ калиться. При закалке изделий, имеющих неодинаковые сечения, сна­ чала погружают в жидкость наиболее массивные их часта. Изделия

плоской формы следует погружать в охлаждающую -среду узкой сто­ роной.

Отпуск стали проводится после закалки, чтобы уменьшить хруп­ кость, ослабить напряжения и получить требуемые механические свойства.

107

Температура .нагрева стали зависит от вида отпуска (см. § 26). 'Время выдержки зависит от размеров изделия и температуры

нагрева (тайл. 3).

Большое применение имеет отпуск по цветам побежалости, ко­ торые зависят от температуры нагрева, °С:

Метастабильность структуры

К метастабильиьш ('неустойчивым) структурам относятся .мар­ тенсит,'троостит, сорбит и а'уствннт.

Мартенсит имеет игольчатое строение. Размеры игл зависят от температуры закалки, от .размеров зерен аустенита, на которых они образовались, и их количества. Лучшими механическими свойства­ ми обладает мелкоигольчатый мартенсит. В металломикроскопе мар­ тенсит наблюдается в виде игл, расположеннъгх под углами 60, 90 и 120° друг к другу (рис. 35,а).

108

травится реактивами интенсивнее мартенсита, поэтому под микро­ скопом он выглядит темным (рис. 35,6).

Сорбит образуется .при высоком отпуске закаленной на мар­ тенсит стали. 'Сорбит виден под микроскопам в виде светлых уча­ стков — зерен цементита в феррите .(;рис. 35, в).

Аустенит наблюдается в виде светлых полей или светлого фона. Остаточный аустенит бывает только в высокоуглеродистых и некото­ рых легированных сталях после закалки.

Порядок выполнения работы

Й. Установить по диаграмме состояния железо—цементит темпе­ ратуру закалки для сталей марок 30, 45 и У.1ЙА, а ,по табл. 3 — вре­ мя выдержки. Подготовить печи для закалки (напреть до нужной тем­ пературы).

2.Используя клещи, загрузить образцы в печь и выдержать их установленное время.

3.Вынуть образцы из печи и перенести их в охлаждающую

Охлаждение в воде или масле следует сопровождать энергичным перемещением образца, чтобы избежать появления на его поверхно­ сти паровой рубашки (это снизит твердость).

4. Зачистить торцы образцов шлифовальной бумагой и измерить твердость на приборе Роквелла. Полученные данные внести в про­ токол Испытаний.

5.Закаленные на мартопоит образцы подвергнуть низкому, qpед­ кому и высокому отпуску. Нагрев аналогичен нагреву при закалке. Охлаждение после нагрева производится на воздухе.

6.Зачистить торцы образцов шлифовальной бумагой и опреде­ лить твердость отпущенных образцов на приборе Роквелла. Полу­ ченные данные занести в .протокол испытаний.

7.Используя набор .микрошлифов закаленных и отпущенных ста­

лей, изучить структуру мартенсита, троостита, сорбита и аусте­ нита.

8. Составить отчет по работе. В отчет включить цель и задание работы, изложение последовательности процесса закалки и отпуска, заполненный протокол испытаний и характеристики рассмотренных под микроскопом структур.

Домашнее задание

1. Произвести анализ изменения механических свойств стали в зависимости от термической обработки. Построить кривые зависи­ мости твердости от содержания углерода в стали (после закалки) и зависимости твердости от температуры отпуска.

й. Ознакомиться с режимами термической обработки и струк­ турой некоторых деталей сельскохозяйственных машин (табл. 5).

-3. По заданию' преподавателя определить режим термической обработки назначенной им детали.

Протокол испытаний

109

Т а б л и ц а 5

Режимы термической обработки детален сельскохозяйственных машин

Д е т а л ь М а р к а с т а л и Т е р м и ч е с к а я о б р а б о т к а