Материаловедение. Ч.1. Лабораторный практикум

или полный распад аустенита, и будет получена заниженная твердость, а при передержке возникнут более сильные закалочные напряжения, которые могут привести к короблению и образованию трещин.

Структуры до- и заэвтектоидных сталей приведены на рис. в [2, с. 42–45].

Отпуск сталей

Закаленная углеродистая сталь отличается не только высокой твердостью, но и большой склонностью к хрупкому разрушению. Кроме того, при закалке возникают значительные закалочные напряжения. Для увеличения вязкости и уменьшения закалочных напряжений и применяют отпуск.

Отпуск – это термическая обработка закаленной на мартенсит стали, при которой основным процессом является распад мартенсита. При нагреве после закалки благодаря увеличивающейся подвижности атомов создаются условия для процессов, изменяющих структуру стали к более равномерному состоянию. Основные процессы при отпуске закаленной стали связаны с распадом мартенсита и остаточного аустенита и со структурными изменениями продуктов этого распада: феррита и карбида.

Для упрощения часто выделяют три температурных интервала и соответствующие им три «превращения» при отпуске:

––100–120 °С – распад мартенсита;

––200–300 °С – распад остаточного аустенита и продолжающийся распад мартенсита;

––300–400 °С – промежуточный карбид заменяется цементитом и заканчивается выделение углерода из a-рас­

твора­. Структуру, получающуюся после отпуска стали при температуре ниже ~300 °С, называют отпущенным мартен­ ситом. От мартенсита закалки он отличается меньшей коррозионной стойкостью.

81

После отпуска при 300–450 °С обнаруживается особенно сильно травящаяся структура, которая называется тро­ оститом отпуска.

При отпуске в интервале 450–650 °С получается сорбит отпуска. Его двухфазное строение из феррита и точечного цементита уже можно различить под световым микро­ скопом.

С увеличением температуры отпуска прочностные характеристики непрерывно снижаются, а показатели пластичности возрастают. Разупрочнение при отпуске происходит из-за уменьшения концентрации углерода в мартенсите и, соответственно, уменьшения искажений его решетки, а также из-за коагуляции карбидов и увеличения расстояний между их частицами. Все это облегчает скольжение дислокаций в a-растворе.

По температуре нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск (рис. в [2, с. 45]).

Низкий отпуск на отпущенный мартенсит (120–250 °С) широко применяют после закалки инструментов и поверхностной закалки для уменьшения остаточных закалочных напряжений.

Средний отпуск на троостит (350–450 °С) – сравнительно редкая операция. Его используют для получения сочетания высокой прочности, упругости и умеренной вязкости (например, пружины, рессоры).

Высокий отпуск на сорбит (450–650 °С) широко применяют в производстве деталей машин, которые должны обладать не только достаточной прочностью, но и высокой сопротивляемостью ударным нагрузкам. Закалку и высокий отпуск называют улучшением.

Продолжительность отпуска обычно не превышает нескольких часов.

Структуры сталей после отпуска представлены на рис. в [2, с. 46].

82

4.2. Порядок проведения работы

иуказания по технике безопасности

Изучить влияние скорости охлаждения из аустенитной области на твердость стали.

Нагреть три образца в аустенитную область, выдержать

втечение 20 мин, охладить с разной скоростью:

––вместе с печью до 500 °С, далее – на воздухе;

––на воздухе;

––в масле.

С отожженных образцов удалить окалину и измерить твердость по Бринеллю.

Изучить влияние закалки и отпуска на твердость стали. Нагреть пять образцов в аустенитную область, выдер-

жать в течение 20 мин. Закалить четыре образца в воду, а один – через воду в масле (выдержка в воде – 3 с). Измерить твердость по Роквеллу закаленных образцов.

Три образца, закаленные в воде, поместить в печи (по одному образцу) с температурами 200, 400 и 600 °С и выдержать в течение 60 мин. Измерить твердость по Роквеллу отпущенных образцов.

При работе с электрическими печами сопротивления необходимо помнить, что они могут явиться источниками поражения электрическим током и термических ожогов. Запрещается начинать работу с печами без разрешения преподавателя или учебного лаборанта. Во избежание поражения электрическим током загрузку образцов в печь и их выгрузку производить только при выключенном электропитании печи.

Для предотвращения термических ожогов запрещается прикасаться к корпусу печей и работать без рукавиц и специальных клещей.

83

4.3. Требования к отчету по работе

Начертить участок диаграммы состояния системы Fe–C. Нанести на диаграмму состояния ординаты изучаемых сталей и температуру аустенизации.

Представить в виде таблицы значения твердости изученных сталей после охлаждения из аустенитной области с разными скоростями, в таблице схематично изобразить структуру, которая образуется в результате разных скоростей охлаждения.

Представить в виде таблицы значения твердости по Роквеллу термически обработанных образцов:

Отпуск после закалки:

Литература

1.Металловедение: учебник / И.И. Новиков, В.С. Золоторевский и др. М.: Изд. Дом МИСиС, 2014. Т. 2. С. 62–65, 71–75, 90–92, 104–105, 114–116, 120–124, 161–165.

2.Материаловедение. Атлас микроструктур. Ч. 2: лаб. практикум. М.: Изд. Дом НИТУ МИСиС, 2022. № 4361.

Контрольные вопросы

1. Какое влияние оказывает скорость охлаждения из аустенитной области на строение эвтектоидной стали?

84

2.Каковы условия получения перлита, сорбита и тро­ остита в стали?

3.Почему сталь со структурой сорбита тверже стали

сперлитной структурой?

4.Какие цели преследует полный отжиг?

5.Зачем применяют неполный отжиг доэвтектоидных сталей?

6.Почему не применяют отжиг стали У13 с нагревом выше точки Acm?

7.Каковы режимы нормализации доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей?

8.Почему после нормализации сталь прочнее, чем после отжига?

9.Каково основное назначение нормализации?

10.Что представляет собой мартенсит в углеродистой

стали?

11.Чем отличается мартенситное превращение от перлитного?

12.До каких температур нагревают до- и заэвтектоидные стали под закалку?

13.В чем сущность закалки через воду в масле и каковы ее преимущества?

14.Какие три превращения различают при отпуске?

15.Каково назначение отпуска и каковы структуры стали после низкого, среднего и высокого отпуска?

Примеры тестов для проверки знаний и допуска

клабораторной работе

1.С увеличением температуры отпуска прочность увеличивается, это:

а) правда; б) ложь.

2.С увеличением температуры отпуска пластичность уменьшается, это:

а) правда; б) ложь.

85

3.Термическая обработка, при которой главными процессами являются аустенизация с последующим перлитным превращением, – это:

а) отжиг; б) отпуск;

в) нормализация; г) неполный отжиг;

д) закалка на мартенсит; е) закалка с полиморфным превращением.

4.Заэвтектоидные стали закаливают с температур:

а) А1 + 35–60 °С; б) A3 + 30–50 °С;

в) Acm + 30–50 °С; г) A3 + 20–40 °С;

д) 740–770 °С.

5.При отпуске ниже 300 °С формируется структура: а) отпущенный мартенсит; б) троостит отпуска; в) сорбит отпуска; д) зернистый перлит.

6.Нормализацию стали, содержащей 0,2% С, следует

проводить при температуре: а) 900 °С; б) 1100 °С; в) 620 °С; г) 700 °С; д) 750 °С.

7.В стали, содержащей 0,7% С, после закалки присутствует фаза (фазы):

а) мартенсит; б) мартенсит и цементит;

в) мартенсит и феррит; г) аустенит и феррит; д) цементит и феррит.

86

8. Доэвтектоидную сталь при отжиге нагревают до температур:

а) A3 + 20–40 °С; б) A1 + 20–40 °С;

в) Acm + 20–40 °С; г) Acm + 30–50 °С; д) 740–770 °С.

9.В стали, содержащей 0,45% С, при температуре нормализации присутствует фаза (фазы):

а) аустенит; б) аустенит и цементит;

в) аустенит и феррит; г) цементит и феррит; д) мартенсит.

10.В результате сфероидизирующего отжига образуется структура:

а) зернистого перлита; б) перлита; в) сорбита; г) троостита;

д) мартенсита; е) сферического сорбита.

11.Критическая скорость охлаждения – это:

а) минимальная скорость, при которой аустенит не распадается на феррито-карбидную смесь;

б) минимальная скорость, при которой аустенит распадается на феррито-карбидную смесь;

в) максимальная скорость, при которой аустенит не распадается на феррито-карбидную смесь;

г) максимальная скорость, при которой аустенит распадается на феррито-карбидную смесь.

12. Способ охлаждения при закалке: а) в воде; б) на воздухе;

в) в воде и масле;

87

г) с печью; д) с печью и на воздухе.

13. Низкий отпуск применяют для:

а) уменьшения остаточных напряжений; б) термической обработки инструментов;

д) высокой прочности, упругости и умеренной вязкости; е) деталей машин с высокой ударной вязкостью.

14. Цели нормализации – это:

а) смягчение стали перед обработкой резанием; б) устранение пороков строения; в) устранение полосчатости;

г) устранение видманштеттовой структуры; д) устранение грубой сетки вторичного цементита; е) упрочнение после литья.

88

Лабораторная работа 5 МИКРОСТРУКТУРА ПРОМЫШЛЕННЫХ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

(4 часа)

Цель работы – получить навыки металлографического анализа структуры промышленных цветных сплавов.

5.1. Теоретическое введение

Медь и медные сплавы

Основной травитель для выявления структурных составляющих в медных сплавах – 3%-ный раствор FeCl3 в 10%-ный HCl (желтоватого цвета).

Медь с примесями

Микроструктура чистой меди в литом состоянии состоит из кристаллитов, форма и размеры которых зависят от условий кристаллизации.

Чистота меди оказывает большое влияние на ее свойства и поведение при последующей обработке. Примесные элементы, растворимые в твердой меди (Al, Fe, Ni, Mn, Zn, Ag, Cd), практически не влияют на ее механические свойства.

Примеси, малорастворимые в твердой меди (Pb, Bi, O), снижают ее деформируемость. Свинец и висмут ничтожно растворимы в меди в твердом состоянии (рис. в [2, с. 51–55]) и образуют по границам зерен легкоплавкие эвтектики (при температурах 326 и 270,6 °С соответственно), состоящие практически из чистого свинца и висмута (рис. в [2, с. 52]). При горячей прокатке меди (800–900 °С) эти эвтектики находятся в жидком состоянии, и во время обжатий по ним происходит межкристаллитное разрушение (горячеломкость). Для предотвращения горячеломкости при прокатке медь должна содержать не более 0,003% Bi и 0,05% Рb.

89

Кислород (см. рис. в [2, с. 51]) – наиболее часто встречающаяся в значительных количествах примесь, так как он легко попадает в медь при плавке. При нагреве или эксплуатации меди в атмосфере, содержащей водород, атомы водорода быстро диффундируют вглубь металла, и при восстановлении оксида меди образуется водяной пар. Под давлением этого пара возникают вздутия и микротрещины. Это явление называют водородной болезнью меди.

Латуни

Медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк, называют двойными (или простыми) латунями. Наряду с двойными латунями, в промышленности широко применяют многокомпонент­ ные (специальные) латуни, которые помимо цинка содержат такие легирующие компоненты, как свинец, алюминий, олово, кремний, железо, марганец, никель, мышьяк и др.

Латуни используют для получения фасонных отливок, а также в виде полуфабрикатов, изготавливаемых обработкой давлением.

Структура двойных латуней определяется диаграммой состояния системы Cu–Zn (рис. в [2, с. 56]), в которой a-фаза – это твердый раствор цинка в меди с ГЦК-решеткой, а b-фаза – электронное соединение переменного состава

сОЦК-решеткой.

Клатуням относятся промышленные сплавы марок Л96,

Л90, Л80, Л70 и Л68 (цифры указывают содержание меди, остальное – цинк). В структуре литой α-латуни видна дендритная ликвация: оси обогащены Cu, а межосные пространства – Zn (рис. в [2, с. 57]), а в отожженном состоянии

микроструктура аналогична микроструктуре литой меди (рис. в [2, с. 9]). После холодной деформации α-латуни образуется волокнистая структура с вытянутыми кристаллитами

вдоль направления деформации (рис. в [2, с. 9]). При отжиге α-латуни или при горячей деформации рекристаллизация приводит к образованию полиэдрической структуры с боль-

90