Микроанализ термически обработанных сталей

Цель работы:

1. Изучить структуры термически обработанных углеродистых сталей (доэвтектоидной и заэвтектоидной);

2. Установить зависимости между режимом термообработки, структурой и механическими свойствами стали.

Приборы, материалы, инструменты:

1) металлографический микроскоп МИМ-10

2) коллекция шлифов

3) твердомер ТК-2

Все превращения в сплавах, происходящие по диаграмме состояния железо–углерод, протекают при медленном охлаждении; они успевают полностью завершиться при температурах, указанных на диаграмме, вследствие чего получаются равновесные структуры. Скорость охлаждения при термообработке имеет большое значение.

Аустентит при быстром непрерывном охлаждении распадается с образованием следующих структур: сорбита, троостита и мартенсита.

При скоростях охлаждения до 50 ⁰С в секунду распавшийся аустенит образует структуру сорбит, представляющую собой смесь феррита, цементита, но более мелкодисперсную, чем перлит. Сорбит по сравнению с перлитом обладает большей вязкостью и лучшими упругими свойствами. Твердость сорбита НВ=250-350.

Структура сорбита встречается в конструкционных сталях после закалки с охлаждением в масле, а также после закалки и после высокого отпуска.

При скоростях охлаждения до 80-100 ⁰С в секунду образуется троостит, представляющий собой смесь феррита и цементита очень высокой степени дисперсности. Твердость троостита НВ = 350-500. Структуру троостита могут иметь конструкционные стали, закаленные с охлаждением в масле и закаленные и опущенные при температуре 350-450 ⁰С.

Строение троостита почти не выявляется в микроскоп из-за значительной измельченности частиц цементита и феррита. При изготовлении микрошлифа троостит, как высокодисперсная двухфазная структура, обнаруживает травимость по сравнению с другими структурами стали.

Поэтому при микроанализе троостит выявляется в виде темных образований.

При скоростях охлаждения 150-180 ⁰С в секунду образуется мартенсит, представляющий собой перенасыщенный твердый раствор углерода в -железе. Мартенситная структура типична для закаленных сталей и характеризуется игольчатым строением, большой хрупкостью и твердостью НВ = 500-600. Структура мартенсита встречается в конструкционных и легированных сталях после закалки в масле и воде и последующего низкого отпуска.

Структура стали, получаемая после термообработки, зависит не только от скорости охлаждения, но и от температуры нагрева.

При нагреве доэвтектоидной стали до температур выше точка Ас_з и последующем быстром охлаждении со скоростью, превышающей критическую, структура будет состоять из одного мартенсита. Такая сталь обладает высокой твердостью.

При нагреве доэктивтоидной стали до температуры выше точки Ас ₁ и последующим охлаждении с той же скоростью в структуре стали, наряду с мартенситом, будет присутствовать часть феррита и закалка окажется неполной.

Заэвтектоидная сталь, нагретая до температуры выше Ас₁ и охлажденная с большой скоростью, будет состоять из мартенсита, избыточного цементита и некоторого количества остаточного аустентита.

Присутствие избыточного цементита в структуре закаленной стали повышает ее твердость и износоустойчивость; только важно, чтобы он находился не в виде цементной сетки, которая придает хрупкость стали, а в виде зернистого цементита.

Нагрев заэвтоидной стали до температуры выше Ас_з при охлаждении с той же скоростью приведет к образованию структуры из крупнокристаллического мартенсита и значительного количества остаточного аустенита.

Структура, получаемая в стали при распаде переохлажденного аустенита при температурах критической точки в изотермических условиях, характеризуется диаграммой изотермического превращения аустенита.

Низкий отпуск закаленной стали, производимый с нагревом до 200-250 ⁰С, не вызывает заметных изменений в ее структуре, наблюдаемой в микроскопе. Образуется структура отпущенного мартенсита; отпущенный мартенсит похож на мартенсит закалки. Характерным является только то, что если в мартенсите после закалки иглы пластин светлые, то в отпущенном мартенсите они темные.

Изменение цвета связано с изменениями, происходящими в мартенсите при низкотемпературном отпуске.

При нагреве стали со структурой мартенсита до 200 ⁰С происходит выделение из перенасыщенного твердого раствора углерода в a-железе мельчайших частичек цементита, еще связанных с исходной фазой (a-раствором). При этом уменьшается степень тетрагональности мартенсита.

Микроструктура троостита отпуска образуется после отпуска при 300-400 ⁰С стали, закаленной на мартенсит. Характерно для троостита отпуска является сильное потемнение при травлении.

Микроструктура сорбита отпуска образуется после отпуска при 500-600 ⁰С стали, закаленной на мартенсит.

Кристаллики карбидов в троостите и сорбите отпуска имеют зернистую форму.

Изучение структуры проводится путем просмотра под микроскопом коллекции шлифов термически обработанных углеродистых сталей. Условия образования структурных составляющих определяют по диаграмме состояния Fe-C и С-образной кривой изотермического аустенита.

В наших условиях твердость металлов определяется прибором Роквелла, – следовательно, необходимо эту твердость перевести по таблице перевода твердости по Бринеллю.

 

Рис. 22. Игольчатый мартенсит

 

Порядок выполнения работы

1. Получить у преподавателя комплект шлифов (доэвтектоидной и заэвтектоидной стали), подверженных закалке от различных температур.

2. Рассмотреть структуры образцов при помощи микроскопа.

3. Зарисовать структуры образцов в отчет.

4. Сделать сравнительный вывод структур образцов в зависимости от области нагрева под закалку.

 

Контрольные вопросы

1. В чем отличие структур после отжига и нормализации у стали 40?

2. В результате какой термической операции получается структура мартенсита? Что называется мартенситом?

3. В результате какой термической операции образуется троостит? Что называется трооститом?

4. В результате какой термической обработки образуется структура сорбита? Что называется сорбитом?

5. В чем отличие структур мартенсита закалки от мартенсита отпуска, сорбита закалки от сорбита отпуска?

6. С какой целью производят циклический отжиг?

7. Что называется перегревом, и какова структура перегретой стали?

8. Как получается строчечная структура?

9. Цель и назначение цементации.

Лабораторная работа № 11

Изучение неравновесных и особых
микроструктур сталей

Цель работы: ознакомить студентов с микроструктурами неравновесных (термически обработанных) сталей и сталей, полученных в результате полного циклического отжига, перегрева, обработки давлением, цементации.

Приборы, материалы, инструменты:

1) металлографический микроскоп МИМ-10;

2) коллекция шлифов.

Все превращения в сплавах, соответствующие диаграмме состояния железо–цементит, протекают при медленном охлаждении, поэтому они успевают полностью завершиться при температурах, указанных на диаграмме, и вследствие этого получаются равновесные структуры.

Если при отжиге нагреть изделие значительно выше линии Ас_з, то зерна аустенита могут вырасти до крупных размеров. После охлаждения получится грубая крупнозернистая масса. Сталь с такой же структурой обладает пониженной пластичностью. Иногда ферритные выпадения имеют вид игл. Такая структура называется видманштедтовой.

Студент должен разобраться в теоретических основах термической обработки, понять, как правильно надо выполнять термическую обработку, что происходит с аустенитом при быстром и медленном его охлаждении.

Необходимо отчетливо представлять такие структуры как сорбит, троостит, мартенсит, отличия их друг от друга; какими свойствами они обладают и как их можно получить.

Необходимо помнить, что полный отжиг применяют для доэвтектоидной стали, а неполный – для заэвтектоидной. В результате неполного отжига цементит получается в виде зерен, такой отжиг называется сфероидизацией. Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу горячая пластическая деформация, при которой цементитная сетка дробится. Сталь с зернистым цементитом лучше обрабатывается режущим инструментом и приобретает хорошую структуру после закалки. Если после проведенного неполного отжига цементит остается пластинчатым, применяют так называемый циклический, или маятниковый отжиг. В этом случае после нагрева выше Ас₁, изделие охлаждают до температуры примерно 680 ⁰С, затем вновь нагревают до 740-750 ⁰С и опять охлаждают до 680 ⁰С, повторяя цикл нагрев–охлаждение несколько раз. В результате перлит получается зернистым, а сталь будет пластичной.

Следует обратить внимание на строчечную структуру стали. Знать, что такая структура образуется при обработке металлов давлением (прокатка, ковка). После подобной обработки получаются волокна, вытянутые вдоль направления деформации. Некоторые механические свойства (прочность, ударная вязкость, сопротивление текучести) поперек волокна оказываются ниже, чем вдоль, что обусловлено наличием неметаллических включений (нитриды, оксиды, сульфиды); располагаясь вдоль направления прокатки, они создают очаги концентрации напряжений. Это явление носит название анизотропии механических свойств. Для устранения строчечности применяют диффузионный отжиг, который состоит в длительном нагреве стали при высоких температурах (1000-1200 ⁰С).

Необходимо изучить процесс химико-термической обработки – цементации. Знать, что цементации подвергают низкоуглеродистые стали с целью получить твердый и износостойкий поверхностный слой и вязкую сердцевину. Цементацией добиваются выгодного распределения углерода по поверхности. После цементации проводят закалку с низким отпуском.

В процессе выполнения лабораторной работы необходимо изучить микроструктуру следующей коллекции шлифов:

1) сталь отожженная;

2) сталь нормализованная;

3) сталь, закаленная на мартенсит;

4) сталь, закаленная и отпущенная на троостит;

5) сталь, закаленная и отпущенная на сорбит;

6) сталь, отожженная на пластинчатый перлит;

7) сталь, отожженная (циклический отжиг) на зернистый перлит;

8) сталь перегретая (видманштедтова структура);

9) сталь со строчечной структурой;

10)сталь, подвергнутая химико-термической обработке – цементации.

При изучении микроструктур необходимо:

1. Обратить внимание на разницу в величине зерен у стали отожженной и нормализованной и отразить это на рисунках.

2. Обратить внимание на различие по структуре и свойствам у стали, закаленной на 400 и 600 ⁰С.

3. Выяснить, от чего зависит пластинчатая и зернистая форма перлита, и какое это имеет значение.

4. Запомнить, что сталь с видманштедтовой структурой имеет крупные зерна, причем по форме они напоминают различные геометрические фигуры. Когда сталь имеет строчечную структуру, зерна вытянуты в линии.

5. Цементированную сталь изобразить в прямоугольнике, показав все зоны от середины к краю; для этого после настройки микроскопа на шлиф надо медленно передвигать, чтобы увидеть все зоны и зафиксировать их.

 

Порядок выполнения работы:

1. Получить образцы стали, подверженные различным видам термической обработки.

2. Зарисовать схематично, как на рис. 23, видимую под микроскопом микроструктуру стали и указать стрелками различные структурные составляющие (фазы).

3. Сталь закаленную, отпущенную на 400 ⁰С и 600 ⁰С, зарисовать условно следующим образом (рис. 23).

 

	закаленная на мартенсит		отпущенная на троостит		отпущенная на сорбит

 

 

Рис. 23. Пример схематичного обозначения микроструктуры стали

 

Контрольные вопросы:

1. В чем отличие структур после отжига и нормализации у стали 40?

2. В результате какой термической операции получается структура мартенсита? Что называется мартенситом?

3. В результате какой термической операции образуется троостит? Что называется трооститом?

4. В результате какой термической обработки образуется структура сорбита? Что называется сорбитом?

5. В чем отличие структур мартенсита закалки от мартенсита отпуска, сорбита закалки – от сорбита отпуска?

6. С какой целью производят циклический отжиг?

7. Что называется перегревом, и какова структура перегретой стали?

8. Как получается строчечная структура?

9. Цель и назначение цементации.

 

Лабораторная работа № 12

Влияние холодной пластической деформации
и температуры рекристаллизации на структуру
и свойства малоуглеродистой стали

Цель работы:

1. Изучить влияние пластической деформации на структуру и свойства (твердость) малоуглеродистой стали;

2. Изучить влияние температуры рекристаллизации на структуру и свойства (твердость) холоднодеформированной малоуглеродистой стали.

Приборы, материалы, инструменты:

1. электрические муфельные печи;

2. образцы из малоуглеродистой стали;

3. микрошлифы, изготовленные из той же стали, что и образцы до пластической деформации, после холодной пластической деформации на степень 50-70 % и после рекристаллизационного отжига при 500 и 700 ºС в течение 45 мин.;

4. твердомер ТК-2;

5. твердомер ТШ-2;

6. микроскоп металлографический.

Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость, вязкость, твердость. Зная механические свойства, конструктор при проектировании обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность машин и конструкций при минимальной массе.

Очень важное значение имеет пластичность, определяющая возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением, основанным на пластическом деформировании металла. Материалы с повышенной пластичностью менее чувствительны к концентраторам напряжений и другим факторам охрупчивания.

Деформацией называется изменение формы, размеров тела под действием напряжений. Напряжения и вызываемые ими деформации могут возникать при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия и т.д., а также в результате фазовых (структурных) превращений, усадки и других процессов, протекающих в металле, связанных с изменением объема.

Процесс пластической деформации является основой обработки металлов. Пластическая деформация, каким бы способом она ни производилась (растяжение, сжатие, изгиб, прокатка, волочение и т.д.), вызывает искажение кристаллической решетки, изменяет форму зерен и структуру, приводит к изменению всех свойств металлов и сплавов.

Характеристики прочности (твердость, предел прочности) с увеличением степени пластической деформации растут; характеристики пластичности и вязкости (относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость) падают.

В процессе пластической деформации изменяются многие физические свойства: уменьшается удельный вес, сопротивляемость коррозии, магнитная проницаемость и т.д.

Упрочнение металлов и сплавов, полученное в процессе пластической деформации, называется нагартовкой, или наклепом.

Пластически деформированный металл по сравнению с недеформированным будет находиться в термодинамически неустойчивом состоянии. Поэтому даже при комнатных температурах в нагартованном материале протекают самопроизвольные процессы, приводящие деформированный металл в более устойчивое состояние, – например, процессы старения.

При повышенных температурах эти процессы протекают быстрее. При незначительном нагревании исчезают упругие искажения кристаллической решетки, что вызывает некоторое снижение прочности и повышение пластичности нагартованного материала. Структура при этом не изменяется.

Частичное восстановление механических свойств (на 20-30 %) за счет снятия упругих искажений кристаллической решетки без заметного изменения структуры называется отдыхом, или возвратом.

При более высоких температурах, определенных для каждого материала, начинается процесс образования новых зерен взамен волокнистой структуры. При этом происходит полное разупрочнение деформированного материала. Механические и физические свойства приобретают прежние значения. Этот процесс называется рекристаллизацией.

Температура рекристаллизации зависит от природы основного металла, наличия и количества легирующих элементов, степени предшествующей деформации. Чем больше степень деформации, тем сильнее измельчается структура, тем меньше ее устойчивость, тем больше ее стремление принять устойчивое состояние. Следовательно, большая степень деформации облегчает процесс рекристаллизации. При большей степени деформации для чистых металлов минимальная температура рекристаллизации . Для сплавов , где – абсолютная температура плавления.

Процессы рекристаллизации подчиняются общим законам кристаллизации, т.е. протекают путем возникновения новых зародышей (центров кристаллизации) и последующего их роста.

Процесс рекристаллизации связан с большой подвижностью атомов и требует для своего развития перемещения атомов от одного зерна к другому.

Та стадия рекристаллизации, при которой все деформированные зерна заменяются новыми стабильными, именуется рекристаллизацией обработки. При более высоких температурах начинается собирательная рекристаллизация, которая заключается в росте крупных зерен за счет поглощения мелких, термодинамически менее устойчивых зерен. Температура рекристаллизации имеет огромное практическое значение.

Чтобы пластическая деформация создавала в материале упрочнение (наклеп), она должна осуществляться при температурах ниже температуры рекристаллизации. Такая обработка называется холодной.

Если же обработка давлением осуществляется при температурах выше температуры рекристаллизации, то возникающее при деформации упрочнение будет сниматься процессом рекристаллизации, и материал разупрочняется. Такая обработка давлением называется горячей.

В результате горячей обработки давлением наклепа не возникает. Температуру горячей обработки давлением выбирают значительно выше температуры рекристаллизации, поскольку при практически применяемых скоростях деформации процесс рекристаллизации при низких температурах за короткое время не успевает устранять упрочнение, полученное в процессе обработки плавлением.

Величина зерна после рекристаллизации зависит от температуры рекристаллизационного отжига и степени предшествующей пластической деформации.

Чем выше температура рекристаллизационного отжига, тем больше величина зерна. При определенной степени деформации после рекристаллизационного отжига можно получить крупное зерно. Степень деформации, при которой получают крупное зерно процесса рекристаллизации, называется критической степенью деформации. Для большинства металлов и сплавов она составляет от 3 до 15 %.

Критической степени деформации следует избегать, так как она после рекристаллизационного отжига применяется для снятия наклепа, дает крупнозернистую структуру, обладающую пониженной ударной вязкостью.

 

Порядок выполнения работы:

1. Получить образцы из стали 10 у преподавателя.

2. Произвести холодную пластическую деформацию на приборе Бринелля путем вдавливания стального закаленного шарика диаметром 10 мм с нагрузкой 187, 250, 500, 1000 и 2000 кг на одном образце и с нагрузкой 2000 кг – на четырех образцах.

3. Измерить твердость пластически деформированного на различную степень образца. Замер твердости производить с нагрузкой 100 кг на приборе Роквелла в центре каждого сферического отпечатка, а также измерить твердость недеформированной поверхности.

4. После пластической деформации с нагрузкой 2000 кг произвести отжиг образцов. Для этого заложить по одному образцу в печи, предварительно нагретые до 400, 550, 650, 750 ºС, на 45 мин. После выдержки замерить твердость в центре сферического опечатка на приборе Роквелла.

5. Результаты замера твердости образцов после пластической деформации и после проведения отжига записать в таблицу.

6. По данным таблицы построить график влияния холодной пластической деформации на твердость малоуглеродистой стали и график влияния температуры нагрева на твердость пластически деформированной малоуглеродистой стали.

7. Зарисовать структуру стали 10 до пластической деформации, после холодной пластической деформации и после рекристаллизационного отжига.

 

Вопросы для самопроверки:

8. Что называется пластической деформацией?

9. Как изменяются характеристики прочности с изменением степени пластической деформации?

10. Что называется наклепом, возвратом, отдыхом, рекристаллизацией?

11. Как влияет температура отжига на процесс кристаллизации?

 

Лабораторная работа №13