Лабораторна робота № 4

Тема: Мікроаналіз сталей після термічної та хіміко-термічної обробки.

Мета: Вивчення мікроструктури сталі після термічної та хіміко-термічної обробки.

Завдання: Вивчити вплив термічної і хіміко-термічної обробки на структуру сталі. Розглянути під мікроскопом мікрошліфи сталей після термічної і хіміко-термічної обробки та замалювати мікроструктуру розглянутих зразків.

Обладнання: Металографічний мікроскоп МИМ-6, мікрошліфи сталей після термічної і хіміко-термічної обробки, фотографії мікроструктур сталей.

Студент має знати:

- призначення термічної та хіміко-термічної обробки сталей;

- будову та принцип роботи металографічного мікроскопа;

- методику виготовлення мікрошліфів металів.

Студент має вміти:

- готувати зразки металів для вивчення мікроструктури;

- проводити аналіз виявленої мікроструктури металу.

План роботи:

1. Ознайомитись з метою, завданням і методичними рекомендаціями до роботи.

2. Підготувати мікроскоп МИМ-6 і мікрошліфи до роботи.

3. Розглянути мікрошліфи під мікроскопом, порівняти з наявними фотографіями мікроструктур і замалювати розглянуті мікроструктури.

4. Описати розглянуті мікроструктури.

5. Оформити звіт про виконану роботу і захистити його у викладача. В звіті необхідно описати зміни, які відбуваються в структурі сталі під час термічної і хіміко-термічної обробки, замалювати і описати мікроструктури сталей термічної і хіміко-термічної обробки.

Методичні рекомендації до виконання роботи

Загальні відомості про термічну обробку. Термічна обробка полягає в нагріванні деталі до певної температури, витримуванні при цій температурі та охолодження з певною швидкістю. При цьому відбуваються зміни в структурі металу і, відповідно, змінюються механічні та технологічні властивості деталі.

При повільному нагріванні до температури Ас₁ (лінія PSK) ніяких перетворень в структурі сталі не відбувається. За подальшого нагрівання перліт перетворюється в аустеніт. При температурах вище лінії GSE сталі будуть мати однорідну структуру – аустеніт.

Під час повільного охолодження сталі по лінії PSK відбувається розпад аустеніту з утворенням фериту та цементиту в результаті дифузії вуглецю та заліза. Спочатку на границях зерен аустеніту утворюються зародки цементиту. Ріст цих зародків відбувається за рахунок дифузії вуглецю з сусідніх зерен аустеніту. Збіднений на вуглець аустеніт перетворюється на ферит, тобто відбувається зміна кристалічної решітки з γ – заліза в α – залізо. Ферит і цементит мають пластинчасту форму, розміри якої залежать від швидкості охолодження. Для повного розпаду аустеніту сталь необхідно певний час витримувати при постійній температурі.

Утворення перліту завершується при температурі 650⁰. Пластинки перліту мають розмір 0,6…1,0 мкм. Твердість перліту 180…250 НВ.

При розпаді аустеніту в інтервалі температур 650…600⁰ утворюється більш дрібнозерниста феритно-цементитна суміш з розміром зерен 0,25…0,3 мкм. Такий дисперсний перліт називають сорбітом. Сорбіт має твердість 250…350 НВ.

При подальшому збільшенні швидкості охолодження в інтервалі температур 600…550⁰ утворюється феритно-цементитна суміш з розміром зерен 0,1…0,15 мкм. Таку структуру називають троостит. Твердість 350…450 НВ.

Перліт, сорбіт та троостит є двофазовими пластинчастими (іноді зернистими) структурами з різним ступенем дисперсності. Зі збільшенням дисперсності збільшується твердість сталі.

Зі зниженням температури розпад аустеніту сповільнюється, а при температурах нижче 500⁰ припиняється зовсім.

При різкому переохолодженні сталі відбувається тільки поліморфне перетворення γ – заліза в α – залізо без виділення вуглецю з твердого розчину. Такий пересичений твердий розчин вуглецю в α – залізі називають мартенситом. Це основна структура загартованої сталі голчастої форми розміром 0,1…0,001 мкм з твердістю до 60…65 НRС (500…650 НВ).

Температура початку та кінця мартенситного перетворення залежить від концентрації вуглецю і легувальних елементів у сталі. Що більша концентрація вуглецю, то нижчий інтервал мартенситного перетворення. В сталях з вмістом вуглецю понад 0,5 % мартенситне перетворення зсувається в зону мінусових температур. Всі легувальні елементи, крім кобальту і алюмінію знижують інтервал температур мартенситного перетворення.

Загальні відомості про хіміко-термічну обробку. Хіміко-термічною обробкою називають процес, який представляє собою поєднання термічного і хімічного впливу з метою зміни хімічного складу, мікроструктури і властивостей поверхневого шару заготовки.

Для зміни хімічного складу заготовку нагрівають у середовищі, збагаченому дифузантом (елементом, який насичує), витримують протягом певного часу при заданій температурі, а потім охолоджують. Під час цього відбувається дифузійне збагачення поверхневого шару заготовок неметалами або металами з метою поверхневого зміцнення. Товщина дифузійного шару за­лежить від температури та тривалості процесу, виду утворюва­ного твердого розчину і концентрації дифузанту на поверхні заготовки. З підвищенням температури та часу витримки товщина дифузійного шару зрос­тає.

До найпоширеніших способів хіміко-термічної обробки належать цементація, азотування, ціанування, нітроцементація, алітування, силіцію­вання та інші.

Цементацією сталі називають процес дифузійного насичення вуг­лецем поверхневого шару заготовок. Мета цементації в комплексі з подальшою термообробкою — надати поверхні деталі високої твердості та зносостійкості, зберігши в'язке осер­дя. Як правило, цементують сталі з низькою масовою часткою вуглецю в межах від 0,1 до 0,25 %. Після цементації концентрація вуглецю найвища на поверхні за­готовки (0,8...1,0 %) і поступово зменшується в глибину. Значення ефективної глибини лежить в інтервалі від 0,5 до 2 мм.

В результаті цього біля поверхні заготовки з низьковуглецевої сталі утворюється структура перліту та цементиту, далі розміщується перліт а при переході до осердя – перліт і ферит. Чим ближче до осердя заготовки, тим менше перліту і більше фериту. Після гарту-вання в цементованому шарі утворюється структура мартенситу. Структура осердя після гартування залежить від типу сталі. У вуглецевих цементованих сталей в середині заготовки зберігається феритно-перлітна структура. В середині цементованих легованих сталей утворюється структура маловуглецевого мартенситу.

Азотуванням називають дифузійне насичення азотом по­верхневого шару сталевих деталей в атмосфері аміаку (NH₃) при 500...700 °С. Мета азотування — істотно підвищити твердість, зносостійкість, границю витривалості і корозійну тривкість.

В результаті насичення заліза азотом утворюються три фази: азотистий ферит (α-розчин азоту в залізі), азотистий аустеніт (γ-розчин азоту в залізі) та проміжні фази γ'-фаза (Fe₄N) і ε-фаза (Fe₃N). На поверхні заготовки розміщується дуже тонкий шар (0,01 – 0,03 мм) ε-фази та ε + γ' -фаз. Потім іде шар товщиною 0,06 – 0,1 мм, який складається з суміші ε + γ' + α –фаз або γ' + α –фаз. Далі розта-шовується α –фаза. Глибина азотування складає 0,3 – 0,7 мм. Основна частина азотованого шару має сорбітоподібну будову.