4.2. Порядок виконання роботи

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

4.2.2. Вивчити класифікацію і маркування сталей і чавунів.

4.2.3. 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:

(4.1)

За вмістом вуглецю визначити марку сталі та її призначення. Зарисувати схематично мікроструктури досліджуваних зразків. Отримані результати оформити у вигляді табл. 4.1.

4.2.4. Провести дослідження мікроструктури білих, сірих, високоміцних і ковких чавунів до і після травлення. Результати дослідження оформити у вигляді табл. 4.2.

Таблиця 4.1.

Результати дослідження мікроструктури вуглецевих сталей

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

Таблиця 4.2.

Результати дослідження мікроструктури чавунів

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

Контрольні запитання

1. Охарактеризуйте мікроаналіз металів 2. Що таке мікрошліф? 3. Охарактеризуйте фази, які утворюються в системі залізо-цементит? 5. Як поділяють сталі за вмістом вуглецю? 6. Як класифікують сталі за якістю? 7. Як поділяють вуглецеві сталі за призначенням? 8. Як позначають сталі звичайної якості, якісні конструкційні сталі і інструментальні сталі? 9. Які є види чавунів? 10. Охарактеризуйте види чавунів? 15. Як маркують сірі, високоміцні та ковкі чавуни?

Лабораторна робота №5 дослідження впливу 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.

5.1. Теоретичні відомості

Термічна обробка (ТО) служить для зміни структури і властивостей сталі.

Відпалювання. Залежно від того, нагрівають сталь нижче чи вище температур фазових перетворень у твердому стані, розрізняють відпалювання першого роду (рекристалізаційне, для зняття 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 напруг, призначене для зменшення або зняття у виробах шкідливих напруг розтягу, проводять при невисокій температурі. Воно виконується після різних технологічних операцій (зварювання, лиття тощо).

Дифузійне відпалювання застосовують виливків великих розмірів з легованих сталей для усунення в них дендритної ліквації. Сталь нагрівають до 1000…1150 ^оС, витримують 12…15 год і повільно охолоджують у печі.

Повне відпалювання служить для отримання дрібнозернистої структури в доевтектоїдній сталі. Температуру нагрівання вибирають за діаграмою стану Fe - Fe₃C вище точки Ас₃ на 30…50 ^оС (рис.5.1). При повільному охолодженні разом з піччю відбувається розпад аустеніту з утворенням дрібнозернистої структури перліту і фериту.

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.

Для отримання структури зернистого цементиту 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. У сталі, поряд з аустенітом, зберігається велике число часток, які не розчинилися, що сприяє утворенню зернистої форми цементиту.

Рис.5.1. 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

Розглянуті види відпалювання проводять з безперервним 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.

Нормалізація служить для отримання дрібнозернистої структури в доевтектоїдних сталях, зняття внутрішніх напруг і наклепу, отримання однорідної структури перед завершальною термічною обробкою, холодною обробкою тиском або обробкою різанням.

Для низьковуглецевих сталей нормалізація часто замінює повне відпалювання, для середньовуглецевих і легованих сталей - гартування з наступним відпусканням. Іноді нормалізація заміняє гартування і високе відпускання, проте 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.

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.

Температуру нагрівання під гартування для вуглецевих сталей вибирають, використовуючи діаграму стану Fe - Fe₃C. Доевтектоїдну сталь нагрівають до температур вище точки Ас₃, а заевтектоїдну - вище A_c1 на 30…50 ^оС. Витримку при нагріванні вибирають залежно від розмірів виробів й об’єму металу, який завантажено в піч. Після витримки вироби охолоджують у гартувальних середовищах, які забезпечують задану швидкість охолодження. Такими середовищами є вода, мінеральні оливи, 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 при температурах 300…200 ^оС необхідне для зменшення внутрішніх термічних і структурних напруг).

Основними технологічними властивостями при гартуванні сталі є загартовуваність - здатність сталі до підвищення твердості при гартуванні і прогартовуваність - здатність гартуватися на певну глибину. За глибину гартування приймають віддаль від поверхні виробу до шару з напівмартенситною структурою (50% мартенситу і 50% трооститу).

При швидкому охолодженні у сталі з'являються тріщини і деформації. Іншими дефектами гартування є м'які плями, знижені твердість і міцність, зневуглецьовування, окислювання тощо. Уникнути цих дефектів або зменшити їх можна застосуванням різних видів гартування і правильним вибором їх режимів.

Відпускання служить для зняття внутрішніх 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. 5.1), витримка й охолодження. Розрізняють низьке, середнє і високе відпускання.

Низьке відпускання (температура нагрівання 150…250 ^оС) застосовують 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 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 500…680 ^оС і структурою сорбіта відпускання. Подвійна термічна обробка - гартування і високе відпускання -називається поліпшенням, тому що сталь після такої обробки отримує найбільш сприятливе поєднання механічних властивостей - високі в`язкість і пластичність поряд із достатньою міцністю.

Важливим чинником є час витримки - чим вища температура відпускання, тим час витримки менший, а ось швидкість охолодження великого значення не має.