Углеродистой и легированной стали

 

Цель работы: изучить влияние скорости охлаждения на распад аустенита. Изучить влияние легирующих элементов на устойчивость аустенита и критические скорости закалки. Научиться выбирать охлаждающую среду для закалки в зависимости от марки стали.

Теоретические сведения

 

Закалкой называют вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критических точек А_С3 или A_С1, выдержке и быстром охлаждении со скоростью больше критической. В основе закалки лежит превращение аустенита в мартенсит при охлаждении.

При охлаждении в зависимости от скорости аустенит может превращаться либо в ферритно-цементитную смесь (перлит, сорбит, троостит) либо в мартенсит.

На диаграмме распада переохлажденного аустенита для доэвтектоидной стали линия 1 (рисунок 8.1) показывает время и температуру начала превращения аустенита в избыточный феррит. Кривая 2 соответствует концу превращения аустенита в феррит и началу распада аустенита на ферритно-цементитную смесь. Кривая 3 - это конец превращения аустенита в ферритно-цементитную смесь (перлит, сорбит, троостит). Перлит, сорбит и троостит - все это ферритно-цементитные смеси пластинчатого строения разной степени дисперсности. Нижняя критическая скорость охлаждения (v_{н.к .}) – это максимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит превращается в ферритно-цементитную смесь. Так, при скорости охлаждения v₁ < v_{н.к .} на участке ab нет превращений (аустенит охлаждается), на участке bc аустенит переходит в феррит, а на участке cd – в ферритно-цементитную смесь (перлит). Ниже точки d сплав охлаждается, превращений нет. Конечная структура – феррит и перлит. Аналогичные превращения претерпевает аустенит при скорости охлаждения v_{н.к .}. Однако превращения протекают при более низких температурах (b'c'd'), поэтому структура будет дисперснее.

Мартенситное превращение, бездиффузионное, протекает в стали, если удаётся переохладить (сохранить) аустенит до мартенситной точки М_Н. Протекает в интервале температур М_Н – М_К (начала и конца мартенситного превращения). Чтобы переохладить аустенит до мартенситной точки, необходимо сталь охлаждать со скоростью, равной или большей v_{в.к .}

А_с1 – нижняя критическая точка стали;

А_с3 – верхняя критическая точка стали;

М_н – температура начала мартенситного превращения;

М_к – температура конца мартенситного превращения;

v_н.к. – нижняя критическая скорость закалки;

v_в.к. – верхняя критическая скорость закалки;

кривые: 1 – начало превращения аустенита в феррит;

2 – конец превращения аустенита в феррит и начало превращения аустенита

в ферритно-цементитную смесь (перлит, сорбит, троостит);

3 – конец превращения аустенита в ферритно-цементитную смесь.

 

Рисунок 8.1 – Диаграмма изотермического распада

переохлажденного аустенита

 

v_в.к. – верхняя критическая скорость охлаждения – это минимальная скорость, при которой весь аустенит переохлаждается до мартенситной точки и на участке fk переходит в мартенсит. Скорость v₃ > v_в.к – на участке af''' нет превращений, а в интервале температур мартенситных точек (участок f''k'') аустенит переходит в мартенсит.

Если фактическая скорость охлаждения лежит между критическими скоростями (например, v₂), то часть аустенита превращается в ферритно-цементитную смесь (участок c''d''), а часть – в мартенсит (участок f'k').

При скорости охлаждения меньше v_н.к. аустенит превращается в ферритно-цементитную смесь (феррит + перлит). Если скорость охлаждения больше v_н.к., но меньше v_в.к., аустенит превращается в тро-осто-мартенситную структуру. И, наконец, при скорости охлаждения больше v_в.к. аустенит перейдёт в мартенсит – в структуру закалки.

Критические скорости закалки v_в.к. и v_н.к. зависят от устойчивости аустенита, которая определяется химическим составом стали. Чем больше в стали легирующих элементов и углерода, тем устойчивее аустенит (кривые 1, 2, 3 на диаграмме изотермического распада переохлажденного аустенита располагаются правее) и ниже значение скорости v_н.к. и v_в.к.; тем легче закаливать сталь (мартенсит можно получить в более мягкой среде).

 

Материалы и принадлежности

 

· Образцы доэвтектоидной стали в отожженном состоянии: углеродистая (40, 45, 50), размер 10 10 55 – 3 шт., легированная (40Х, 40ХН, 50Х), размер 10 10 55 – 3 шт. (размеры даны в мм).

· Лабораторные печи с температурой 820 ^оС.

· Приспособления для загрузки и выгрузки образцов.

· Закалочные банки с холодной водой и машинным маслом.

· Твердомер ТК с шариком и алмазным конусом.

· Штангенциркуль или линейка.

· Микроскопы металлографические (х200 - 300).

· Коллекция микрошлифов – восемь образцов.

Порядок выполнения работы

 

8.3.1 Получить образцы из углеродистой и легированной сталей. Ознакомиться с марками, химическим составом, критическими точками. Измерить и записать размеры образцов и их твердость по
шкале В на приборе Роквелла (HRB)

Посмотреть микроструктуру, зарисовать ее. Для углеродистой стали один из образцов испытать на ударную вязкость и определить КСU:

 

, Дж/м², или

 

, МДж/м²,

где А₀ и А₁ – показания прибора до и после испытания на удар, Дж;

F – площадь поперечного сечения образца в месте удара, м².

 

8.3.2 Подсчитать температуру нагрева углеродистой и легированной стали, зная их критические точки и структурную группу:

для доэвтектоидной стали Т_н = А_с3 + (30…50) ^оС,

для заэвтектоидной стали Т_н = А_с1 + (30…50) ^оС.

Подсчитать время нагрева τ_н и время выдержки τ_в. Время нагре-
ва τ_н берется из расчета 1 мин на 1 мм минимального сечения образца, а τ_в = 0,5τ_н.

Загрузить образцы (по три от каждой марки стали) в печь с выбранной температурой Т_н, выдержать в течение времени τ = τ_н + τ_в, а затем охладить по одному образцу от каждой марки в воде, масле и на спокойном воздухе. (В масле охлаждать половину образца, оставшегося после испытания на ударную вязкость).

Охлажденные образцы зачистить наждачным кругом до металлического блеска.

8.3.3 Измерить твердость охлажденных образцов. Образцы, охлажденные на воздухе, – по шкале B Роквелла (HRB), а остальные – по шкале С Роквелла (HRC). Полученные значения перевести в твердость по Бринеллю (НВ). Образцы углеродистой стали, охлажденные в воде и на воздухе, испытать на ударную вязкость на маятниковом копре.

Получить коллекцию микрошлифов термически обработанных образцов. Изучить и зарисовать микроструктуру (зарисовать в кругах диаметром 35 – 40 мм или квадратах со стороною 30 – 35 мм, отдельные структурные составляющие указать стрелками).

Установить связь между структурой и твердостью. Вычертить диаграмму изотермического превращения аустенита для углеродистой и легированной стали. Указать, какие изученные среды и почему обеспечивают закалку стали. Обратить внимание на влияние легирующих элементов на распад аустенита, т.е. на значение критической скорости охлаждения.

 

 

Оформление отчета

 

Исходное состояние образцов

 

Марку стали, химический состав, значение критических температур, размеры образцов и другие данные по исходному состоянию образцов занести в таблицу 8.1.

 

Таблица 8.1 – Исходное состояние образцов

Показатель	Углеродистая сталь	Легированная сталь
Марка стали Химический состав Критические точки:   Размеры образцов, мм Исходное состояние Структурная группа Твёрдость Ударная вязкость А0, Дж А1, Дж F, м^2 KCU, МДж/м^2 Микроструктура	АС1 = … АС3 = …   …HRB, …HB	АС1 = … АС3 = …   …HRB, …HB

8.4.2 Термическая обработка (закалка) образцов

 

Параметры термической обработки (закалки) углеродистой и легированной стали занести в таблицу 8.2.

 

Таблица 8.2 – Термическая обработка (закалка) образцов

Параметр	Углеродистая сталь	Легированная сталь
Температура нагрева, °С Время нагрева τн, мин Время выдержки τн, мин Охлаждающая среда^1: воздух масло вода
^1 Во второй и третьей колонках даны номера образцов из коллекции микрошлифов, обработанных по указанным режимам.

 

Результаты эксперимента

8.4.3.1 Значения твердости и ударной вязкости термически обработанных образцов занести в таблицу 8.3.

 

Таблица 8.3 – Твердость и ударная вязкость после термической

обработки

Сталь	№ обр.	Охлаж-дающая среда	Твёрдость	А0, Дж	А1, Дж	KCU, МДж/м^2
по Роквеллу	по Бринеллю HB
обозн.			ср.
Углеродистая		воздух масло вода	HRB HRC HRC					-	-	-
Легирован-ная		воздух масло вода	HRB HRC HRC					-	-	-
Примечание – Ударная вязкость определяется только для образцов углеродистой стали, охлаждённых в воде и на воздухе.

 

8.4.3.2 Изобразить диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита для углеродистой и легированной стали, зарисовать схемы микроструктур термически обработанных образцов (рисунок 8.2).

а б

 

Рисунок 8.2 – Микроструктура термически обработанных образцов и схемы диаграмм изотермического превращения переохлаждённого аустенита

для углеродистой (а) и легированной (б) сталей

 

8.4.3.3 Анализ полученных результатов.

На основании полученных данных (микроструктура, твердость) схематично построить диаграммы распада переохлажденного аустенита (кривые образования феррита, перлита и мартенситные точки) для углеродистой и легированной сталей. Нанести на них критические скорости охлаждения (закалки), отметить, как влияют легирующее элементы на устойчивость аустенита, нa критические скорости за-калки.

Для каждой кривой охлаждения указать температурный интервал распада аустенита, получилась или нет закалка.

Сделать вывод, какие охлаждающие среды нужно брать для закалки углеродистой стали, а какие – для легированной.

 

8.5 Контрольные вопросы

 

1. Какие скорости охлаждения называют критическими?

2. Какая структура получится при охлаждении стали со скоростью v, если v < v_н.к., v_н.к. < v < v_в.к., v > v_в.к.?

3. Как влияют легирующие элементы на устойчивость аустенита и значение критических скоростей?

4. Какую структуру имеет правильно закаленная сталь? Дайте её определение.

5. Что такое мартенсит? Укажите его твердость и вязкость.

 

Лабораторная работа № 9