1. Проведите отпуск образцов после полной закалки. Проведите высокий (600 °С), средний (400 °С), низкий (200 °С) отпуск нагретых выше Ас₃на 30÷50°С и закаленных в воде образцов.

2. После отпуска замерьте твердость всех образцов на твердомере с алмазным наконечником (HRC). Полученные результаты запишите в отдельную таблицу (см. табл. 3.2).

3. Изучите коллекцию микрошлифов, зарисуйте структуры.

4. П

   29 Контрольные вопросы

   остройте график в координатах «твердость – температура отпуска». Сравните твердость образцов после отпуска. Сделайте вывод о влиянии отпуска на твердость закаленных сталей. Объясните характер и причины изменения твердости закаленных сталей при отпуске.

1. Что называется термической обработкой? Перечислите основные виды термической обработки.

2. Для чего проводят полный отжиг конструкционных сталей?

3. Что называется нормализацией сталей?

4. В чем назначение закалки? Как изменяется температура нагрева под закалку сталей с увеличением содержания углерода?

5. Что такое мартенсит?

6. Что такое критическая скорость охлаждения?

7. Что такое отпуск? В чем его назначение? Назовите виды отпуска.

8. При каком отпуске образуется микроструктура «отпущенный мартенсит», какие механические свойства для нее характерны?

9. Какой отпуск нужно применять для пружин и рессор, почему?

10. В каком случае применяется высокотемпературный отпуск, какую структуру приобретает сталь?

11. Что такое термическое улучшение, к каким сталям оно применимо?

Лабораторная работа 4 Строение сварного соединения

Цель работы:изучить строение сварного соединения малоуглеродистой стали, выполненного сваркой плавлением.

Соединение, выполненное сваркой плавлением малоуглеродистой стали, состоит из четырех зон: первая – металл шва; вторая – зона сплавления; третья – зона термического влияния и четвертая – основной металл (рис. 4.1).

Металл шва– это сплав, образованный переплавленным основным и наплавленным металлами или только переплавленным основным металлом.

Зона сплавления– металл, находящийся на границе основного металла и шва.

Зона термического влияния– участок основного металла, не подвергавшийся расплавлению, структура и свойства которого изменяются в результате нагрева и пластической деформации при сварке.

О

30

сновной металл– малоуглеродистая сталь после прокатки. Микроструктура ферритная с небольшим количеством перлита, волокнистая, которая формируется при дроблении и вытягивании кристаллов в направлении наибольшей деформации. Образование волокнистой макроструктуры приводит к анизотропии механических свойств металла, которая проявляется тем резче, чем больше степень деформации.

Структура сварного шва определяется условиями охлаждения, влияющими на процессы кристаллизации и на диффузионные процессы.

В структуре преобладает феррит, перлита мало, потому что углерод, как и другие примеси, выгорает. Расположение структурных составляющих столбчатое, т.к. процесс кристаллизации в металле шва имеет направленность: кристаллы растут в направлении, обратном отводу тепла, вглубь жидкой ванны, и металл приобретает столбчатую структуру. Каждый столбчатый кристалл состоит из группы одинаково ориентированных дендритов (древовидных кристаллов). Число дендритов пропорционально скорости охлаждения.

Структура литого металла с грубым столбчатым строением характерна для однослойных швов.

Выполнение швов в несколько проходов влияет на структуру и свойства металла. Наложение каждого последующего валика оказывает повторное тепловое воздействие на нижележащий валик и структура нижележащего улучшается, становится мелкозернистой, столбчатое строение исчезает. Верхний валик сохраняет литую структуру металла.

Микроструктура металла зоны термического влияния

В зоне термического влияния сварного соединения из низкоуглеродистой стали различают участки неполного расплавления, перегрева, полной перекристаллизации или нормализации, рекристаллизации (рис. 4.2).

Р

31

ис. 4.2. Схема структур в околошовной сварной зоне сталей

Участок неполного расплавленияявляется переходным от наплавленного металла к основному и представляет узкую полоску основного металла, которая при сварке находится при температурах ниже линии ликвидуса, но выше солидуса. В процессе сварки этот участок нагревается до температуры, несколько превосходящей температуру плавления, и находится в твердожидком состоянии, что способствует протеканию диффузии некоторых элементов между твердой и жидкой фазой переходной зоны. Переходная зона отличается по своему химическому составу, как от основного, так и наплавленного металла. Ширина участка зависит от характера источника нагрева и состава металла, она измеряется микронами до 0,1÷0,4 мм. Структура: феррито-перлитная с окантовкой перлитных выделений ферритными прослойками.

Свойства этого участка оказывают решающее влияние на работоспособность сварной конструкции. Здесь происходит образование металлической связи между металлом шва и свариваемой деталью. Если между зернами имеется пленка окислов или осажденных газов, то в этом месте не произойдет прочной металлической связи и этим можно объяснить образование трещин в зоне сплавления, что объясняется внутренними напряжениями.

Участок перегреваограничивается со стороны шва температурой участка неполного расплавления, а со стороны основного металла – температурой, примерно 1100С. На этом участке (1450÷1100С) металл при сварочном нагреве претерпевает полиморфное (аллотропное) превращение изFe_(ОЦК-решетка) вFe_(ГЦК-решетка). Нагрев металла на этом участке происходит значительно выше Ас₃, поэтому наблюдается перегрев и рост аустенитного зерна.

В процессе остывания образуется крупнозернистая видманштеттова структура. Кристаллы доэвтектоидного феррита ориентированно прорастают относительно кристаллической решетки аустенита через крупное зерно перлита и имеют форму пластин.

Участок перегрева характеризуется пониженной пластичностью и особенно низкой вязкостью (вязкость при этом падает на 25% и более).

Ширина этого участка 1÷3 мм, чем меньше его протяженность, тем выше качество сварного соединения. Перегретый металл является слабым местом в сварном соединении.

Участок нормализацииохватывает температурный интервал 1100÷900С, что несколько выше точки Ас₃. На этом участке происходит полная перекристаллизация или нормализация с образованием мелкозернистой структуры. Длительность пребывания стали при этих температурах невелика, зерно аустенита не успевает вырасти. Последующая перекристаллизация приводит к получению равноосной структуры феррита и небольшого количества перлита. Ширина этого участка в зависимости от способа и режима сварки изменяется от 1,2 до 4 мм.

У

32

часток неполной перекристаллизацииохватывает металл, подвергавшийся нагреву в интервале температур точек от Ас₁до Ас₃. Для низкоуглеродистой стали этот интервал температур составляет 725÷850С. При достижении точки Ас₁происходит эвтектоидное превращение, то есть перлит переходит в аустенит. При температуре выше Ас₁часть феррита растворяется в аустените, а часть феррита остается нерастворенной и сохраняет свой первоначальный размер.

При последующем охлаждении растворившийся в аустените феррит будет из аустенита выделяться с образованием новых зерен. Заканчивается вторичная кристаллизация эвтектоидным превращением оставшегося аустенита в перлит.

Структура перекристаллизованного материала будет состоять из феррита (не изменившегося при нагреве) и колоний мелких зерен феррита и перлита, расположенных вокруг него, которые образуются при перекристаллизации.

По прочности металл этого участка занимает промежуточное положение между металлом участка полной перекристаллизации и основным металлом.

Участок рекристаллизациинаблюдается в сталях, подвергавшихся до сварки пластической деформации. На этом участке в интервале температур 450÷700С наблюдается рост новых равноосных зерен из раздробленных при пластической деформации зерен. Микроструктура: равноосные зерна феррита и небольшое количество перлита.

Если до сварки металл не подвергался пластической деформации (например, литые сплавы), рекристаллизации не происходит.

Участок синеломкостиохватывает температурный интервал 200÷400С, при котором появляются синие цвета побежалости на поверхности металла. При сварке низкоуглеродистых сталей, содержащих кислорода более 0,005%, азота более 0,005% и водорода более 0,0005%, участок синеломкости характеризуется резким снижением вязкости. Снижение вязкости вызывается, вероятно, старением металла, когда из пересыщенного феррита выпадают тонкодисперсные оксиды, нитриды и карбиды железа. Они скапливаются вокруг дефектных участков кристаллической решетки, повышая прочность и снижая пластичность металла.