федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный университет путей сообщения»

______________________________________________________________________

Кафедра технологии транспортного машиностроения

и ремонта подвижного состава

М.Г. Крукович, Н.В. Максимова, Э.Р. Тонэ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Часть 2

Методические указания к лабораторным работам

М о с к в а - 2012

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный университет путей сообщения»

______________________________________________________________________

Кафедра технологии транспортного машиностроения

и ремонта подвижного состава

М.Г. Крукович, Н.В. Максимова, Э.Р. Тонэ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Часть 2

Методические указания к лабораторным работам

М о с к в а – 2012

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный университет путей сообщения»

______________________________________________________________________

Кафедра технологии транспортного машиностроения

и ремонта подвижного состава

М.Г. Крукович, Н.В. Максимова, Э.Р. Тонэ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Часть 2

Рекомендовано редакционно-издательским советом

университета в качестве методических указаний

для студентов ИТТСУ

М о с к в а - 2012

УДК 620.22 (075.8)

К-84

Крукович М.Г., Максимова Н.В., Тонэ Э.Р. Материаловедение: Методические указания. Ч. 2. - М.: МИИТ, 2012. - 54 с.

Настоящие методические указания предназначены для выполнения цикла лабораторных работ студентами ряда специальностей ИТТОП.

Методические указания ранее были составлены профессорами Минкевичем А.Н., Ромадиным К.П., Круковичем М.Г., Захаровым Б.В., доцентами Берлиным В.И., Аксёновой Л.А., Тонэ Э.Р., Рубиным Г.В., ст. преп. Чёрной Т.Ф. и переработаны, в связи с изменением учебных планов, профессором Круковичем М.Г., доцентами Максимовой Н.В. и Тонэ Э.Р.

Ил. 33, библиогр. 4 назв.

 МИИТ, 2012

Учебно-методическое издание

Крукович Марат Григорьевич

Максимова Нина Викторовна

Тонэ Элла Робертовна

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

по дисциплине «Материаловедение»

Часть 2 (Работы 5–8)

Сдано в набор Подписано к печати

Формат 6084¹₁₆ Усл. п. л. Зак. Тир. 300

Изд. № 112 - 12

Работа № 5. Влияние содержания углерода на структуру и твёрдость стали в отожженном и закалённом состояниях

Цель работы. Установить влияние содержания углерода на структуру и твёрдость стали в отожженном и закалённом состояниях после полной и неполной закалок. Определить оптимальную температуру нагрева сталей под закалку.

1 Краткие сведения из теории

Закалка сталей производится с целью повышения её твёрдости и прочности. Для этого необходимо сталь нагреть до температуры, обеспечивающей образование аустенита, выдержать при этой температуре и затем охладить с определённой скоростью.

Температуры превращений сталей, указанные на диаграмме железо – цементит, соответствуют условиям равновесия, т.е. условиям очень медленного нагрева и охлаждения. В действительности же в реальных условиях нагрева и охлаждения для прохождения превращения необходим некоторый перегрев стали по отношению к равновесной температуре (727⁰С) или при обратном превращении некоторое переохлаждение. Следовательно, температуры превращений при нагреве и охлаждении будут отличаться.

Изменение температур превращений по отношению к равновесным температурам наблюдается и за счет присутствия в составе сталей неизбежных примесей, легирующих элементов и образования структур различной степени дисперсности (например, пластинчатый или зернистый перлит).

Таким образом, в термической обработке линии превращений на диаграмме получили следующее общее международное обозначение:

• линия PSK при нагреве обозначается А_с1, а при охлаждении А_r1;

• линия МО при нагреве обозначается А_с2, а при охлаждении А_r2;

• линия GS при нагреве обозначается А_с3, а при охлаждении А_r3;

• линия ES при нагреве обозначается А_сm, а при охлаждении А_rm.

Примечание: Принятые буквы в обозначениях являются начальными буквами французских слов: «с» – chaufage – нагрев; «r» - refroidisstment - охлаждение; «m» - modification – модификация, видоизменение.

При нагреве сталей ниже температуры A_c1 (Рис. 1) практически никаких процессов не происходит, и структура не меняется. При температуре A_c1 (несколько выше 727 °C) происходит превращение перлита в аустенит, сопровождающееся резким измельчением зерна. Т.е. из одного зерна перлита образуется 15 – 18 зерен аустенита. При дальнейшем нагреве в интервале температур A_c1 – A_c3 или A_c1 – A_cm происходит растворение, соответственно, феррита и цементита в аустените. Этот процесс сопровождается при растворении феррита снижением содержания углерода в аустените по линии SG, а при растворении цементита – увеличением содержания углерода в аустените по линии SE. В этот период происходят и количественные изменения между фазами по правилу отрезков. Содержание аустенита в сплавах увеличивается и наблюдается некоторый рост зерна аустенита. При температурах выше A_c3 и А_сm сталь имеет структуру аустенита и дальнейший нагрев стали в области аустенита вызывает только стремительный рост зерен аустенита.

В соответствии со стальным участком диаграммы состояния железо–цементит (Рис.1), при медленном охлаждении сталей в условиях равновесия при температуре несколько ниже А_r3 в аустените появляются центры кристаллизации феррита. Этот процесс, связанный с перераспределением углерода и полиморфным γ → α превращением, продолжается до температуры А_r1 и сопровождается ростом возникших центров кристаллизации и зерен феррита. При этой температуре А_r1 оставшийся аустенит, содержащий 0,8% С, превращается в перлит.

Превращение аустенита в перлит имеет диффузионный и кристаллизационный характер. Оно сопровождается двумя процессами – диффузией (перераспределением) атомов углерода и железа и полиморфным γ - α превращением в обедненных углеродом участках. При увеличении скорости охлаждения времени для перераспределения углерода в аустените до равновесного состояния становится недостаточным. Диффузия атомов железа при этом также затрудняется. Эти процессы приводят к тому, что полиморфное превращение γ → α проходит бездиффузионным сдвиговым путем. Следовательно, содержание углерода в α фазе останется таким же, каким оно было в γ фазе. Принимая во внимание, что в α фазе (феррите) может раствориться только 0,02% С, а в γ фазе (аустените при 727⁰С) 0,8% С, то полученная α фаза окажется перенасыщенной углеродом. Такая структура названа мартенситом.

Мартенсит – перенасыщенный твердый раствор углерода в α – железе.

Мартенсит имеет тетрагональную (искаженную кубическую) кристаллическую решётку (рис. 2) с отношением с/а >1 (1,01–1,08). Мартенсит является напряженной и неравновесной структурой.

Рис. 1 Стальной участок диаграммы состояния железо – цементит.

Рис. 2 Тетрагональная кристаллическая решетка мартенсита

(а и с – стороны куба).

По сравнению с другими структурными составляющими стали, и особенно с аустенитом, мартенсит имеет наибольший удельный объем. Максимальная твёрдость мартенсита НВ = 650–680 кгс/мм², а ударная вязкость KCU =1 кгс∙м/см².

Высокая твёрдость мартенсита объясняется искажением его кристаллической решётки, вследствие перенасыщения атомами углерода, которая вызывает появление высокого уровня напряжений, которые в свою очередь вызывают фазовый наклеп и повышение твердости и прочности.

Мартенсит имеет игольчатое строение. Размер игл мартенсита определяется размером зерна аустенита, так как иглы мартенсита растут в пределах каждого зерна аустенита и не выходят за его границы. Т.е. из крупнозернистого аустенита образуется крупноигольчатый мартенсит, а из мелкозернистого аустенита – мелкоигольчатый мартенсит. Мартенсит образуется из аустенита только при его охлаждении со скоростью, большей критической. Образование мартенсита в сталях обычно наблюдается при закалке и сопровождается повышением твердости и прочности.

Закалка - нагрев стали до температур выше А_c1 на 30 ……50⁰С, но ниже А_c3 или А_cm (нагрев под неполную закалку) или выше А_c3 или А_cm на 30 …..50⁰С (нагрев под полную закалку), выдержка при этих температурах и последующее быстрое охлаждение со скоростью равной или выше критической.

Критические температуры А_с1 и А_с3 соответствуют точкам пересечения линии сплавов с линиями диаграммы состояний. Например, для стали, содержащей 0,2% С (Рис.1, сплав I), это точки 1 и 2 с температурами 840 и 727⁰С, соответственно.

Таким образом, для проведения закалки необходим нагрев до температур, обеспечивающих образование аустенита, и быстрое охлаждение, которое обеспечивает превращение аустенита в мартенсит.

Критической скоростью охлаждения называется минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит переохлаждается до температуры мартенситного превращения и превращается в мартенсит.

Охлаждение углеродистых сталей с критической скоростью проводится в воде, в масле, в водных растворах или в синтетических органических смесях. Кривая этой скорости проходит по касательной к линии начала распада аустенита на диаграмме изотермического распада аустенита.

Рис.3 Микроструктура стали 40 с мартенситной структурой (х500) после закалки с температуры нагрева 840⁰С (а) и схема структуры(б).

Если сталь нагреть до температуры, лежащей ниже точки А_с1 (условно 727 °C), и затем быстро охладить, то образования мартенсита не произойдет, т.е. не будет закалки стали, так как не выполнено первое условие нагрева под закалку и не произошло образования аустенита.

В закалённом состоянии повышение содержания углерода в стали до 0,70 % приводит к увеличению твёрдости мартенсита вследствие большого перенасыщения α - железа атомами углерода. Однако дальнейшее увеличение содержания углерода не приводит к заметному повышению твёрдости стали после закалки, так как не весь аустенит в этом случае превращается в мартенсит. Часть аустенита остается в закалённой структуре.

Аустенитно-мартенситное превращение происходит при непрерывном охлаждении в определенном для каждой марки стали интервале температур. Температура начала мартенситного превращения обозначается М_н а конца – М_к. Положение этих температур мартенситного превращения (мартенситных точек) зависит от содержания углерода в стали (рис. 4). Чем больше содержание углерода, тем ниже точка М_н и особенно М_к и тем больше остаточного аустенита остается в закалённой стали (рис. 5).

Р ис. 4 Влияние содержания углерода на характер изменения температур начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения в сталях.

Рис.5 Влияние содержания углерода на количество остаточного аустенита в закаленной стали.

При закалке сталь нагревается до температуры выше критической. Если температура нагрева превышает первую критическую температуру А_с1, но лежит ниже А_с3 или А_сm, то такая закалка называется неполной. Если же температура нагрева на 30÷50 °C превышает критические температуры А_с3 или А_сm, то такая закалка называется полной.

Для доэвтектоидных сталей, содержащих углерода менее 0,8 %, с целью получения макси­мальной твёрдости рекомендуется полная закалка с температуры А_с3 + (30÷50 °C), которая обеспечивает получение мартенситной струк­туры (рис. 3). При неполной закалке доэвтектоидных сталей в структуре, наряду с мартенситом, остается часть нерастворившегося при нагреве феррита, который снижает твёрдость (рис. 6).

Рис.6 Микроструктура (х500) (а) и схема микроструктуры (б) доэвтектоидной стали после неполной закалки (игольчатый мартенсит и включения феррита).

Эвтектоидная сталь, содержащая 0,8 % C, всегда закаливается с температуры А_с1 + (30÷50 °C). После закалки она имеет мартенситную структуру с незначительным количеством остаточного аустенита (~1%). При нагреве на более высокую температуру (например, более 800⁰С) наблюдается рост зерна аустенита, что после быстрого охлаждения приводит к получению крупноигольчатого мартенсита, обладающего повышенной хрупкостью.

Для заэвтектоидных сталей, содержащих углерода более 0,8 %, рекомендуется неполная закалка с температуры А_с1 + (30÷50 °C). Получаемая при этом структура состоит из мартенсита, вторичного цементита и незначительного количества остаточного аустенита (~3%) (рис. 7). При полной закалке заэвтектоидных сталей с температуры A_cm + (30÷50 °C) структура закалённой стали состоит из мартенсита и достаточно большого количества остаточного аустенита (~13%) (рис. 8), что приводит к снижению твёрдости закалённой заэвтектоидной стали.

Рис.7 Микроструктура (х500) (а) и схема микроструктуры (б) заэвтектоидной стали после неполной закалки (иглы - мартенсит, округлые включения – цементит, включения треугольной формы - остаточный аустенит).

Рис.8 Микроструктура (х500) (а) и схема микроструктуры (б) заэвтектоидной стали после полной закалки (крупноигольчатый мартенсит, и остаточный аустенит).

Уменьшить количество остаточного аустенита в закалённой стали можно обработкой холодом, т.е. охлаждением ее до температуры ниже линии М_к (Рис. 4). Обработку холодом проводят в смеси твердой углекислоты и спирта, температура которой равно минус 78 °C, в течение времени, необходимого для охлаждения по всему сечению детали. В некоторых случаях применяют жидкий воздух (минус 183 °C) или жидкий азот (минус 196 °C).

Обработка холодом вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит и приводит к изменению свойств закалённой стали: повышению твёрдости, увеличению магнитотвердых свойств, увеличению объема, стабилизации структуры и размеров изделия. Она применяется для режущего и измерительного инструментов, цементованных деталей, колец и шариков (роликов) шарикоподшипников, калибров, деталей, работающих при низких температурах и т. п.

Таким образом, максимальную твёрдость доэвтектоидные и эвтектоидная стали будут иметь после полной закалки, а заэвтектоидные стали – после неполной закалки. Оптимальные температуры нагрева доэвтектоидных и эвтектоидных сталей при закалке лежат на 30÷50 °C выше линии GS, а заэвтектоидных на 30÷50 °C выше линии SK (Рис. 1).

В случаях необходимости придания закаленной стали повышенной пластичности применяют неполную закалку. Присутствие феррита или остаточного аустенита наряду с мартенситом обеспечивают снижение твердости и повышение пластичности.