Материаловедение. Ч.1. Лабораторный практикум

а) графит и аустенит; б) феррит и цементит; в) перлит и цементит; г) аустенит и цементит;

д) ледебурит и аустенит.

2.Доэвтектоидная сталь содержит углерод в количестве (масс.%):

а) 0,2; б) 2,14; в) 4,3; г) 0,8; д) 1,8.

3.Основными структурными составляющими в заэвтектоидной стали (при комнатной температуре) являются:

а) перлит и избыточный цементит; б) ледебурит и перлит; в) феррит и избыточный цементит;

г) аустенит и избыточный цементит; д) перлит и избыточный феррит.

4.Эвтектоидная сталь содержит углерод в количестве (масс.%):

а) 0,8; б) 2,14; в) 4,3; г) 0,2; д) 0,02.

5.Основными структурными составляющими в доэвтектическом белом чугуне (при комнатной температуре) являются:

а) превращенный ледебурит и превращенный аустенит; б) ледебурит и избыточный феррит; в) ледебурит и избыточный цементит;

г) превращенный ледебурит и первичный цементит; д) превращенный ледебурит и графит.

71

6.Белый чугун с каким содержанием углерода (масс.%) имеет максимальную температуру ликвидуса:

а) 2,3; б) 4,3; в) 3,8; г) 4,0; д) 4,4.

7.В структуре эвтектоидной стали при 820 °С присутствует … фаз:

а) 1; б) 2; в) 3; г) 0.

8.В структуре сплава Fe-0,6% C (масс.) при 700 °С присутствуют фазы:

а) феррит и цементит; б) графит и аустенит; в) графит и цементит; г) графит и феррит; д) аустенит и цементит.

9.В структуре высокопрочного чугуна графит присутствует в форме:

а) шаровидной; б) хлопьевидной; в) пластинчатой; г) границ; д) ромбов.

10.В ВЧ35 присутствуют такие структурные составляющие, как:

а) графит; б) феррит; в) перлит;

г) цементит первичный; д) цементит вторичный;

е) ледебурит превращенный.

72

Лабораторная работа 4 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ

(3 часа)

Цель работы – овладеть навыками проведения основных видов термической обработки углеродистых сталей с контролем качества обработок по значениям твердости.

4.1. Теоретическое введение

Температуры, соответствующие определенным линиям фазовой диаграммы системы Fe–Fe3C (см. лаб. работу 3, рис. 3.7), называют критическими точками стали. Эти точки имеют международные обозначения: A1 – температура эвтектоидного равновесия (линия PSK), А2 – точка Кюри (769 °С) (на рис. 3.7 не показана), A3 – температуры, соответствующие линии GS, Асm – температуры, соответствующие линии ES (индекс cm от англ. cementite – цементит).

Основное превращение, протекающее во время охлаждения при отжиге стали, – это эвтектоидный распад аустенита на смесь феррита и цементита (перлит).

При температуре А1 аустенит находится в термодинамически устойчивом равновесии со смесью феррита и цементита. Чтобы начался распад аустенита, необходимо его переохладить ниже 727 °С.

Важнейшей характеристикой эвтектоида является дисперсность феррита и цементита внутри его колоний. Мерой этой дисперсности служит межпластиночное расстояние между составляющими, которое уменьшается с увеличением скорости охлаждения (степени переохлаждения) аустенита. С увеличением дисперсности эвтектоида возрастают твердость, временное сопротивление и предел текучести.

В зависимости от дисперсности феррито-цементитной смеси различают перлит, сорбит и троостит.

Перлит образуется при небольших степенях переохлаждения при температурах от А1 до ~ 650 °С (охлаждение с печью

73

со скоростью в несколько градусов в минуту), и строение его можновыявитьпрималыхисреднихувеличенияхмикроскопа.

Сорбит образуется при несколько больших степенях переохлаждения в интервале температур ~ 650–600 °С (охлаждение на воздухе со скоростью в несколько десятков градусов

вминуту). Поэтому он более дисперсен, и микростроение колоний сорбита выявляется только при больших увеличениях микроскопа.

Троостит образуется при еще больших степенях переохлаждения в интервале температур ~ 600–550 °С (охлаждение

вмасле со скоростью в несколько десятков градусов в секунду). Внутреннее строение колоний троостита трудно выявить даже при очень больших увеличениях светового микроскопа.

Так как подразделение эвтектоида на перлит, сорбит и троостит условно и между этими структурами нет четкой границы, то их можно различать по твердости. Например, в эвтектоидной стали твердость перлита, сорбита и троостита соответственно равна 170–230 НВ, 230–330 НВ и 330–400 НВ.

Отжиг сталей

Отжиг сталей (отжиг 2-го рода) – это термическая обработка, при которой главными процессами являются аустенизация с последующим перлитным превращением. Аустени­ зацией называют образование аустенита при нагреве сталей.

Отжиг доэвтектоидных сталей

При проведении отжига доэвтектоидную сталь нагревают до температур на 20–40 °С выше точки А3 (рис. в [2, с. 39]).

Охлаждение при отжиге проводят с такой малой скоростью, чтобы аустенит распадался при небольшой степени переохлаждения: для этого изделия охлаждают вместе с печью. Отжигаемые изделия можно выдавать из печи на спокойный воздух при температурах 500–600 °С, если не опасны термические напряжения. Структура доэвтектоидной стали после полного отжига состоит из доэвтектоидного феррита и перлита.

74

Цели проведения полного отжига:

––смягчение стали перед обработкой резанием;

––устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке;

––уменьшение остаточных напряжений.

При литье могут кристаллизоваться относительно крупные зерна аустенита, из которых при охлаждении образуются грубые зерна феррита и перлита. Часто феррит располагается в виде вытянутых кристаллов с определенной ориентировкой – возникает видманштеттова структура, характеризующаяся пониженной ударной вязкостью (рис. в [2, с. 37]). При горячей обработке давлением может образоваться полосчатая структура. Для устранения указанных выше недостатков структуры необходимо провести полную фазовую перекристаллизацию стали.

При нагреве до температуры А3 на 20–40 °С образуется мелкое аустенитное зерно, из которого при охлаждении формируется равномерная мелкая структура, состоящая из феррита и перлита.

Неполный отжиг доэвтектоидных сталей, имеющий ограниченное применение, проводят при нагреве до температуры выше А1, но ниже А3. Его используют для смягчения стали перед обработкой резанием, так как в результате эвтектоидного превращения при неполном отжиге образуется мягкий перлит.

Отжиг заэвтектоидных сталей

Отжиг с нагревом выше Аcm (см. рис. в [2, 39], линия ES) к заэвтектоидным сталям вообще не применяют, так как при медленном охлаждении после такого нагрева выделяется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающая механические свойства. К заэвтектоидным углеродистым сталям применяют отжиг с нагревом до 740–770 °С и последующим медленным охлаждением. При таком нагреве в аустените остается большое число нерастворившихся включений це-

75

ментита, которые служат центрами кристаллизации во время распада аустенита при охлаждении. В результате образуется структура зернистого перлита (рис. в [2, с. 40]); поэтому этот отжиг называют сфероидизирующим.

Нормализация сталей

При нормализации сталь нагревают до температур на 30–50 °С выше линии GSE и охлаждают на спокойном воздухе (см. рис. в [2, с. 41]). Ускоренное по сравнению с отжигом охлаждение обусловливает большее переохлаждение аустенита. Поэтому при нормализации получаются более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит) и меньшего размера эвтектоидные колонии. Таким образом, после нормализации сталь должна иметь большую прочность, чем после отжига.

Нормализацию широко применяют:

––не только как окончательную, но и как промежуточную операцию: для смягчения стали перед обработкой резанием;

––для устранения пороков строения (видманштеттовой структуры, полосчатости) и общего измельчения структуры перед закалкой;

––для устранения грубой сетки вторичного цементита

взаэвтектоидной стали.

Таким образом, назначение нормализации как промежуточной обработки аналогично назначению отжига. Так как нормализация гораздо выгоднее отжига (не занимается печное оборудование на стадии охлаждения), то ее всегда следует предпочесть отжигу, если оба эти вида обработки дают одинаковые результаты. Но нормализация не всегда может заменить отжиг как операцию смягчения стали.

Нормализацию широко применяют вместо смягчающего отжига к низкоуглеродистым сталям, в которых аустенит слабо переохлаждается. Но она не может заменить смягчающий отжиг высокоуглеродистых сталей, которые ощутимо

76

упрочняются при охлаждении на воздухе из-за значительного переохлаждения аустенита. Например, твердость стали с 0,8% С после отжига равна 180 НВ, а после нормализации – 240 НВ.

Мартенситное превращение в сталях

Закалка на мартенсит (закалка с полиморфным превра­ щением) – это термическая обработка, при которой главным является мартенситное превращение высокотемпературной фазы. Закалку на мартенсит часто применяют в производстве стальных деталей.

Мартенситное превращение протекает при быстром охлаждении (сотни градусов в секунду) углеродистой стали с температур выше A3(А1) (температуру закалки для конкретного сплава выбирают по справочнику), например

вводе, когда подавлен диффузионный распад аустенита на смесь двух фаз (феррита и карбида), резко отличающихся по составу от исходного аустенита. Концентрация углерода

вмартенсите такая же, как и в исходном аустените. Следовательно, в отличие от перлитного превращения мартенсит­ ное превращение – бездиффузионное.

Вα-Fe при комнатной температуре равновесная растворимость углерода ничтожна. Поэтому мартенсит, образующийся в результате бездиффузионного полиморфного пре-

вращения аустенита в углеродистой стали, всегда является

пересыщенным раствором внедрения углерода в α-Fe. Чем больше содержание углерода в исходном аустените, тем больше его и в мартенсите. В безуглеродистых сплавах на основе железа мартенсит пластичен.

Пластины мартенсита, возникающие в первую очередь, проходят через все аустенитное зерно, расчленяя его на отсеки. Через границу зерна матричной фазы мартенситная пластина пройти не может, и поэтому максимальный размер мартенситных пластин ограничен размером исходных аустенитных зерен.

77

В отсеках аустенита при понижении температуры образуются новые мартенситные пластины, размер которых уже ограничен размерами отсека матрицы. По мере развития превращения аустенитное зерно расчленяется на все более мелкие отсеки, в которых образуются все более мелкие мартенситные пластины. При мелком аустенитном зерне пластины мартенсита столь мелки, что «игольчатое» строение на шлифе не видно, и мартенсит называют бесструктурным. Такой мартенсит наиболее желателен.

При закалке на мартенсит углеродистой стали резко возрастает ее твердость и снижается пластичность. Например, твердость эвтектоидной стали после отжига равна 180 НВ, а после закалки – 650 НВ.

Высокая твердость сталей, закаленных на мартенсит, обусловлена сильными искажениями решетки пересыщенного a-раствора из-за внедренных атомов углерода.

Закалка сталей

Наиболее важные параметры закалки – температура нагрева и скорость охлаждения.

Температуры нагрева под закалку углеродистых сталей можно выбрать по диаграмме состояния (рис. в [2, с. 42]). Доэвтектоидные стали закаливают с температур, превышающих точку А3 на 30–50 °С. При более высоких температурах закалки может сильно вырасти аустенитное зерно, в пределах которого образуются более крупные кристаллы мартенсита, и механические свойства ухудшатся.

При закалке с температур в интервале A1–А3 (неполная закалка) наряду с мартенситом остается избыточный феррит, который сильно снижает твердость закаленной стали и ухудшает механические свойства после отпуска. Но в ряде случаев закалка с температур данного интервала целесо­ образна.

Заэвтектоидные стали закаливают с температур, превышающих точку А1 на 35–60 °С. При закалке с температур

78

в интервале А1–Аcm в заэвтектоидных сталях наряду с мартенситом имеется вторичный цементит, который повышает износостойкость инструмента. Нагрев до температур выше Аcm вреден, так как твердость при этом не возрастает, но зато укрупняется аустенитное зерно, усиливается обезуглероживание поверхности, и растут закалочные напряжения. При нагреве выше Аcm твердость закаленной стали получается даже несколько ниже из-за растворения твердых цементитных частиц и повышения количества остаточного аустенита.

Продолжительность выдержки при температуре нагрева должна быть такой, чтобы прошла гомогенизация аустенита.

Режим охлаждения при закалке должен, прежде всего, обеспечить образование мартенсита. Вместе с тем режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникли сильные закалочные напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин.

Закалочные напряжения складываются из термических

и структурных (фазовых) напряжений. При закалке всегда возникает перепад температур по сечению изделия. Разное термическое сжатие наружных и внутренних слоев в период охлаждения обусловливает возникновение термических напряжений.

Мартенситное превращение связано с увеличением удельного объема на несколько процентов. Поверхностные слои раньше достигают мартенситной точки, чем сердцевина изделия. Мартенситное превращение и связанное с ним увеличение объема происходят в разных точках сечения изделия не одновременно, что приводит к возникновению структурных напряжений.

Суммарные закалочные напряжения растут с увеличением температуры нагрева под закалку и с повышением скорости охлаждения, так как в обоих этих случаях увеличивается перепад температур по сечению изделия. Быстрое охлаждение необходимо в интервале 650–400 °С.

В качестве закалочных сред наиболее широко используют воду, масло и 10%-ный водный раствор NaOH или NaCl.

79

Холодная вода – самый дешевый и весьма энергичный охладитель. Добавки солей и щелочей увеличивают охлаждающую способность воды в перлитном интервале. Основной недостаток воды – большая скорость охлаждения в мартенситном интервале.

Минеральное масло медленно охлаждает нагретую сталь как в мартенситном (главное преимущество), так и в перлитном интервале (основной недостаток). Поэтому масло применяют для закалки сталей с хорошей прокаливаемостью (под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны). Другие недостатки масла – легкая загораемость (температура вспышки машинного масла 180–200 °С), образование пригара на поверхности изделия и потеря с течением времени закаливающей способности (загустевшее масло требует замены).

Нагретая вода не может заменить масло, так как нагрев резко уменьшает скорость охлаждения в перлитном интервале, но почти не изменяет ее в мартенситном.

Относительно новый класс закалочных сред – водные растворы полимеров, которые в зависимости от концентрации полимера по охлаждающей способности могут занимать промежуточное положение между водой и маслом. Так как нет такой закаливающей среды, которая давала бы быстрое охлаждение в интервале температур 650–400 °С и медленное охлаждение ниже этого интервала, то применяют разные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения.

Для уменьшения скорости охлаждения в мартенситном интервале применяют закалку через воду в масло. Вначале деталь погружают в воду и после короткой выдержки переносят в масло. Быстрое охлаждение в воде предотвращает перлитное превращение, а последующее замедленное охлаждение в масле уменьшает закалочные напряжения в мартенситном интервале. Данный вид закалки важен для упрочнения инструмента.

Как передержка, так и недодержка в воде могут привести к браку. При недодержке в воде произойдет частичный

80