5.2. Порядок виконання роботи

5.1.Вивчити діаграму стану залізо-цементит, фази, структурні складові сплавів системи Fe - Fe₃C, їхні характеристики.

5.2.Вивчити класифікацію і маркування вуглецевих сталей і чавунів.

5.3.Провести дослідження мікроструктури вуглецевих сталей і технічного заліза за допомогою металографічного мікроскопа з використанням альбомів мікроструктур стендів. Визначити орієнтовно вміст вуглецю в досліджуваних зразках за формулою:

(5.4)

За вмістом вуглецю визначити марку сталі та її призначення. Зарисувати схематично мікроструктури досліджуваних зразків. Отримані результати оформити у вигляді табл. 5 2.

5.4.Провести дослідження мікроструктури білих, сірих, високоміцних і ковких чавунів до і після травлення. Результати дослідження оформити у вигляді табл. 5.3.

Таблиця 5.2.

Результати дослідження мікроструктури вуглецевих сталей

Мікроструктура	Вміст структурних складових, %			Вміст вуглецю, %	Марка сталі	Призначення
	Ф	П	Ц

Таблиця 5.3.

Результати дослідження мікроструктури чавунів

Мікроструктура		Структурні складові					Форма графіту	Марка чавуну	Призначення
до травлення	після травлення	Ф	П	Ц	Л	Г

Лабораторна робота №6 вплив термічної обробки на структуру і властивості вуглецевих сталей

Мета роботи: Вивчити вплив основних видів термічної обробки на структуру і механічні властивості вуглецевої сталі.

Забезпечення роботи: печі муфельні; зразки вуглецевих сталей; твердомір Роквелла; альбом структур, довідкові таблиці.

6.1. Теоретичні відомості

Термічна обробка (ТО) служить для зміни структури і властивостей сталі. Вона грунтується на теорії фазових перетворень, які відбуваються при нагріванні та охолодженні сплавів. Режими ТО для конкретних деталей визначаються за довідниками.

Відпалювання. В залежності від того, нагрівають сталь нижче чи вище температур фазових перетворень у твердому стані, розрізняють відпалювання першого роду (рекристалізаційне, для зняття внутрішніх залишкових напруг, дифузійне) і другого роду (повне чи неповне).

Рекристалізаційне відпалювання застосовують для зняття наклепу сталі після її холодної обробки тиском (прокатування, волочіння, штампування). Сталь нагрівають вище температури рекристалізації, витримують при цій температурі і потім охолоджують на повітрі.

Відпалювання для зняття внутрішніх залишкових напруг, призначене для зменшення або зняття у виробах шкідливих напруг розтягу, проводиться при невисокій температурі, тому його іноді називають низькотемпературним. Воно виконується після різних технологічних операцій (зварювання, лиття тощо).

Дифузійне (гомогенізаційне) відпалювання застосовують для злитків і фасонних виливків великих розмірів з легованих сталей для усунення в них дендритної ліквації. Сталь нагрівають до температури 1000…1150 ^оС, витримують при ній 12…15 год і повільно охолоджують у печі. Висока температура нагрівання і тривала витримка потрібні для повного протікання дифузійних процесів у сталі. При цьому відбувається збільшення зерна.

Повне відпалювання служить для отримання дрібнозернистої структури в доевтектоїдній сталі. Температуру нагрівання вибирають, користуючись діаграмою стану Fe - Fe₃C (рис.5.1). Сталь повільно нагрівають до температури вище точки Ас₃ на 30…50 ^оС. При цьому у ній утворюється дрібнозернистий аустеніт. При повільному охолодженні разом з піччю відбувається розпад аустеніту з утворенням дрібнозернистої структури перліту і фериту. Повне відпалювання підвищує пластичність і в`язкість сталі.

При проведенні повного відпалювання через тривале перебуванням деталей у печі можливе зневуглецьовування й окислювання поверхні металу. Тому вироби, які відпалюються, упаковують у контейнери, заповнені піском, чавунною стружкою чи вугіллям. Часто застосовують відпалювання у печах з контрольованою захисною атмосферою або в печах з вакуумом, після чого деталі мають світлу і чисту поверхню.

Рис.6.1. Температурні інтервали нагрівання сталі при різних видах термічної обробки: Г – гартування, В – відпалювання, Н – нормалізація, ВВ, СВ і НВ – високе, середнє і низьке відпускання, ГВ – гомогенізаційне відпалювання

Неповне відпалювання застосовують для отримання дрібнозернистої структури в заевтектоїдній сталі. Сталь нагрівають до температури, на 30…50 ^оС вище точки Ас₁, а потім повільно охолоджують. При цьому відбувається перетворення аустеніту в перліт, а вторинний цементит залишається без зміни. Такий режим відпалювання застосовують тільки тоді, коли в структурі сталі вторинний цементит не утворює сітки навколо зерен перліту. Якщо ж у структурі є цементитна сітка, потрібно нагріти сталь вище точки Асm і охолодити на повітрі, щоб розчинити сітку цементита і не дати йому виділитися, а потім зробити повторне нагрівання вище точки Ас₁ з наступним повільним охолодженням. Неповне відпалювання застосовують і для поліпшення оброблюваності різанням доевтектоїдної сталі, яка при цьому отримує структуру пластинчастого перліту.

Для отримання структури зернистого цементита заевтектоїдну сталь піддають сфероутворюючому відпалюванню. Сталь нагрівають трохи вище точки Ас₁, витримують і потім повільно охолоджують - спочатку до температури точки Ас₁, а потім на повітрі. Внаслідок невисокої температури нагрівання, у сталі, поряд з аустенітом, зберігається велике число часток, які не розчинилися, що сприяє утворенню зернистої форми перліта (цементита). На розмір зерен впливає швидкість охолодження – з її зменшенням розмір зерна збільшується. Відпалена сталь з структурою зернистого цементита в порівнянні з відпаленою сталлю зі структурою пластинчастого перліту, має меншу твердість, більшу в`язкість і кращу оброблюваність різанням.

Розглянуті види відпалювання проводять з безперервним повільним охолодженням. При відпалюванні з витримкою при постійній температурі (ізотермічне відпалювання) сталь нагрівають, як і при звичайному відпалюванні (доевтектоїдну - вище точки Ас₃, заевтектоїдну - вище точки Ас₁ на 20…30 ^оС), потім швидко охолоджують до температури нижче точки Ас₁ на 20…100 ^оС і витримують при ній; при цьому відбувається перетворення аустеніта в перліт. Після цього сталь охолоджують на повітрі. Ізотермічне відпалювання виконують в одній печі, іноді - у двох: в одній печі виріб нагрівають вище температури фазового перетворення, а потім переносять в іншу піч, нагріту до температури нижче точки Ас₁ і витримують при цій температурі. Перевагами ізотермічного відпалювання є менша тривалість процесу завдяки прискоренню охолодження (4…7 год замість 15…30 год) і однорідніша структура, яка покращує оброблюваність сталі різанням.

Нормалізація служить для отримання дрібнозернистої структури в доевтектоїдних сталях, зняття внутрішніх залишкових напруг і наклепу, отримання однорідної структури перед завершальною термічною обробкою, холодним штампуванням або обробкою різанням, знищення сітки вторинного цементита в заевтектоїдних сталях. Нормалізують фасонні виливки, поковки і штамповки, а також деталі, які цементуються.

Для низьковуглецевих сталей нормалізація часто замінює повне відпалювання (після неї сталь має структуру перліта і ферита, як і після відпалювання, але більш дрібнозернисту, а механічні властивості дещо вищі в порівнянні з відпаленою), для середньовуглецевих і легованих сталей - гартування з наступним відпусканням (сталі отримують структуру сорбіта, тому їхня твердість і міцність у порівнянні з відпаленими вищі). Іноді нормалізація заміняє гартування і високе відпускання, проте в цьому випадку нормалізована сталь має меншу в’язкість, ніж загартована і відпущена, і для відповідальних деталей машин і конструкцій не застосовується.

При нормалізації доевтектоїдну сталь нагрівають до температури вище точки Ас₃, а заевтектоїдну - вище точки Ас₁ на 30…50 ^оС, а потім охолоджують на повітрі.

Гартування служить для надання металу високої твердості і міцності шляхом утворення нерівноважної структури - мартенсита.

Є кілька різновидів гартування. В залежності від товщини загартованого шару розрізняють об'ємне і поверхневе гартування. Об'ємне гартування провадиться в печах і ванних, а поверхнева - струмами високої, підвищеної і промислової частоти, газовим полум'ям і в електролітах. В залежності від режиму охолодження буває об'ємне, гартування з безперервним охолодженням і з переривчастим охолодженням (ізотермічне, ступінчасте). В залежності від середовища, у якому нагрівають сталь, розрізняють гартування звичайне і з застосуванням захисної атмосфери (світле).

Температуру нагрівання пі д гартування для вуглецевих сталей вибирають, використовуючи діаграму стану Fe - Fe₃C. Доевтектоїдну сталь нагрівають до температур вище точки Ас₃, а заевтектоїдну - вище точки A_c1 на 30…50 ^оС. Час витримки при нагріванні вибирають у залежності від розмірів виробів й об’єму металу, який завантажується в піч. Після нагрівання і витримки вироби охолоджують у різноманітних гартівних середовищах, які забезпечують необхідну швидкість охолодження.

Гартувальними середовищами є вода, мінеральні масла, розчин їдкого натрію, розплавлені солі, луги і метали, емульсії тощо. Основна вимога до них - висока охолоджувальна спроможність в інтервалі температур 650…550 ^оС і низька охолоджувальна спроможність при 300…200 ^оС (уповільнене охолодження в інтервалі температур 300…200 ^оС необхідне для зменшення внутрішніх термічних і структурних напруг). Охолоджувальну спроможність гартувальних середовищ підвищують інтенсивним перемішуванням.

Основними технологічними властивостями при гартуванні сталі є загартовуваність (здатність сталі до підвищення твердості при гартуванні) і прогартовуваність (здатність гартуватися на визначену глибину). Поверхневі шари деталей, які стикаються з гартувальним середовищем, охолоджуються швидше, ніж внутрішні; тому не завжди вдається досягти прогартовуваності по всьому перерізу (наскрізна прогартовуваність). А при нескрізній прогартовуваності структура поверхневих шарів виробу після гартування - мартенсит, а структура внутрішніх шарів - троостит. За глибину загартування приймають віддаль від поверхні виробу до шару з напівмартенситною структурою (50% мартенситу і 50% трооститу). Крім швидкості охолодження, прогартовуваність залежить від ряду інших чинників: складу сталі, вихідної структури, діаметра виробу, температури нагрівання під гартування тощо.

При швидкому охолодженні у сталі виникають внутрішні напруги - термічні і структурні, пов'язані з перебудовою ГЦК-ґратки аустеніта в гратку мартенсита і зміною об’єму сталі. В результаті дії цих напруг у сталі з'являються тріщини і деформації. Дефектами гартування є також м'які плями, знижені твердість і міцність, зневуглецьовування, окислювання тощо. Уникнути цих дефектів або в значній мірі зменшити їх можна застосуванням різних видів гартування і правильним вибором їх режимів.

Є кілька різновидів об'ємного гартування. При гартуванні в одному охолоджувальному середовищі нагріті до температури гартування вироби занурюють у гартувальне середовище (найчастіше - у воду або масло), де вони і знаходяться до повного охолодження. Таке гартування застосовують як для вуглецевої сталі (охолодження у воді), так і для легованої сталі (охолодження в маслі). Його недоліком є те, що в результаті великої різниці температур нагрітого металу й охолоджувального середовища у сталях виникають великі термічні напруги, які ведуть до утворення дефектів.

Для зменшення термічних напруг застосовують гартування з підстужуванням, коли нагрітий виріб перед зануренням у гартувальне середовище певний час витримують на повітрі (підстужують). Застосовують також гартування у двох середовищах: деталі спочатку охолоджують до 300…400 °С у воді, а потім - у маслі. Таке гартування (переривчасте) застосовується для високовуглецевої інструментальної сталі.

При ступінчастому гартуванні сталь охолоджують поетапно, у двох різних середовищах. Першим є розплав солі чи масло, нагріті до температури на 20…30 ^оС вище точки М_п для даної сталі. У цьому середовищі деталям дають короткочасну витримку (до початку розпаду аустеніта) для вирівнювання температури по всьому об`єму виробів (ванна має постійну температуру). Після витримки в гарячому середовищі сталь має структуру аустеніта. Другим середовищем є повітря, при охолодженні на якому відбувається перетворення аустеніта в мартенсит. Основною перевагою ступінчастого гартування є можливість зменшення термічних напруг (а отже – і дефектів), досягнення сприятливого поєднання високої в’язкості, міцності та твердості (НRС 55…60).

Прогресивним методом гартування, яке забезпечує поєднання високої міцності, пластичності і в’язкості, є ізотермічне, при якому сталь охолоджують у гарячому середовищі (соляних або лужних ванних). Температура нагрівання середовища різна в залежності від складу сталі. Перетворення аустеніта в нижній бейніт відбувається під час ізотермічного витримування сталі, після чого її охолоджують на повітрі. Твердість після ізотермічного гартування становить НRС 45…55.

Після гартування твердість сталі підвищується - тим більше, чим більше в ній вуглецю. Проте одночасно у сталі збільшується вміст залишкового аустеніта, що помітно знижує її твердість. Поряд з високими твердістю і міцністю загартована сталь характеризується і зниженими пластичністю і в’язкістю. Змінюються і фізичні властивості: електричний опір і коерцитивна сила після гартування підвищуються, а магнітна проникність і залишкова індукція знижуються.

Відпускання служить для зняття внутрішніх залишкових напруг, які виникли в загартованій сталі, і одержання необхідних структур і механічних властивостей. Цей вид термообробки є найважливішою операцією, яка формує структуру і властивості сталі і визначає її подальшу експлуатацію. При відпусканні виконується нагрівання сталі нижче точки Ас₁ (рис. 40), витримка й охолодження. Розрізняють низьке, середнє і високе відпускання.

Низьке відпускання (температура нагрівання 150…250 ^оС) застосовується для вуглецевих і легованих інструментальних сталей, для яких необхідні високі твердість (НRС 59…63) і зносостійкість. Після низького відпускання сталь має структуру відпущеного мартенсита. Середнє відпускання (температура нагрівання 350…500 °С) застосовують для пружинних і ресорних сталей. Сталь отримує структуру троостита відпускання, яка має достатньо високу твердість (НRС 44…54) при високій пружності. Високе відпускання характеризується температурою нагрівання 500…680 ^оС і структурою сорбіта відпускання. Подвійна термічна обробка, яка складається з гартування і високого відпускання сталі, називається поліпшенням, тому що сталь після такої обробки отримує найбільш сприятливе поєднання механічних властивостей - високі в`язкість і пластичність поряд із достатньою міцністю.

Крім температури нагрівання, важливим чинником є час витримки - чим вища температура відпускання, тим час витримки менший. А ось швидкість охолодження при відпусканні вуглецевої сталі великого значення не має.