Порядок выполнения работы

1. Вычертить диаграмму состояния железо - цементит.

2. Описать линии диаграммы и фазовый состав во всех областях диаграммы.

3. Дать определение всем структурным составляющим сталей и чугунов.

4. Изучить микроструктуру семи образцов стали на шлифах № 1, 2, 3, 4, 7 при увеличении в 150 раз и № 5, 6 при увеличении в 500 раз и определить марку стали, ее механические свойства и назначение

Примечание. Пункты 1 -3 выполняются студентами в порядке подготовки к лабораторной работе.

Отчет по работе

По каждому микрошлифу отчет о выполненной работе должен содержать:

1. Наименование структурных составляющих,

2. Схематично зарисованную структуру,

3. Содержание структурных составляющих в процентах.

4. Содержание углерода в стали. Для подсчета содержания углерода в доэвтектоидной стали пользуются формулой:

а для заэвтектоидной стали формулой

где П - -площадь, занимаемая на микрошлифе перлитом в %;

(100 - П) - площадь занимаемая цементитом;

0,8 - содержание углерода в перлите;

6,67 - содержание углерода в цементите.

РАБОТА № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА

ПРИ ЗАКАЛКЕ ДО- И ЗАЭВТЕКТОИДНЫХ СТАЛЕЙ

С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ ТВЕРДОСТИ

Цель работы. Установить влияние содержания углерода на структуру и твёрдость стали в отожженном и закалённом состояниях после полной и неполной закалок. Определение оптимальной темпе­ратуры закалки сталей.

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.

При нагреве сталей до температуры нижете Ас₁ практически никаких процессов не происходит, и структура не меняется. При температуре Ас₁ (несколько выше 727 °С) происходит превращение перлита в аустенит, сопровождающееся резким измельчением зерна. При даль­нейшем нагреве в интервале температур Ас₁-Ас_з или Ас₁-Ас_m происхо­дит превращение феррита в аустенит или распад цементита и насы­щение аустенита углеродом. При температурах выше Ас_з-Ас_m сталь имеет структуру аустенита и дальнейший нагрев стали вызывает только рост зерен аустенита.

Рис 1. Стальной участок диаграммы состояния железо-цементит

При медленном охлаждении аустенита превращения происходят в обратном порядке.

Если скорость охлаждения увеличить и переохладить аустенит до такой температуры, при которой диффузионная подвижность атомов углерода отсутствует, то образуется новая структура, называемая мартенситом.

Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в -железе. Мартенсит имеет тетрагональную (искаженную кубическую) кристаллическую решётку (рис. 2) с отношением с/а >1 (1,01-1,08). По сравнению с другими структурными составляющими стали, и особенно с аустенитом, мартенсит имеет наибольший удель­ный объем. Максимальная твёрдость мартенсита НВ = 600-650 кгс/мм², а ударная вязкость KCU = 1 кгсм/см².

Высокая твёрдость мартенсита объясняется фазовым наклепом -железа, искажением его кристаллической решётки вследствие пересыщения атомами углерода. Мартенсит имеет игольчатое строение. Максимальный размер игл мартенсита определяется размером зерна аустенита. Мартенсит образуется из аустенита только при его охлаж­дении со скоростью, большей критической, при которой диффузия уг­лерода очень мала и образования цементита не происходит.

Рис. 2. Тетрагональная решётка мартенсита.

Закалкой стали называется нагрев стали до температур выше Ас1, Асз, Асm, выдержка при этих температурах и последующее охлаждение со скоростью равной или выше критической.

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

Если сталь нагреть до температуры, лежащей ниже точки Ас1, (727 °С), и затем быстро охладить, то образования мартенсита не произойдет, т.е. не произойдет закалки стали, так как при нагреве не произошло образование аустенита.

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

Аустенитно-мартенситное превращение происходит при непре­рывном охлаждении в определенном для каждой марки стали интер­вале температур. Температура начала мартенситного превращения обозначается Мн, а конца - Мк. Положение этих температур мартен­ситного превращения - мартенситных точек - зависит от содержания углерода в стали (рис. 3). Чем больше содержание углерода, тем ниже точка Мн и особенно Мк, и тем больше остаточного аустенита остается в закалённой стали (рис. 3).

Рис. 3. Влияние содержания углерода на количество остаточного аустенита в закаленной стали.

Если температура нагрева превышает первую критическую тем­пературу Ас1_, но лежит ниже Ас3, или Асm, то такая закалка называется неполной. Если же температура нагрева на 30-50°С превышает кри­тические, соответствующие температурам Ас₃ или Ас_m, то такая закал­ка называется полной.

Оценка оптимальности закалки стали производится по крите­рию получения максимальной твёрдости.

Для доэвтектоидных сталей рекомендуется полная закал­ка, которая обеспечивает получение мартенситной структуры (рис. 4). При неполной закалке доэвтектоидных сталей в структуре наряду с мартенситом остается часть нерастворив­шегося при нагреве феррита, который снижает твердость (рис. 5).

Эвтектоидная сталь, содержащая 0,8% углерода, всегда закаливается с температуры Ас₁ + (30—50°С). После закалки она имеет мартенситную структуру с незначительным количе­ством остаточного аустенита.

Перегрев стали приводит к росту зерна аустенита и получению крупноиголь­чатого мартенсита, обладающего повышенной хрупкостью.

Рис. 4. Микроструктура доэв- Рис.5. Микроструктура доэвтектоидной

тектоидной стали после пол- стали после непол­ной закалки: мартенсит

ной закалки: мартенсит и феррит (схема)

(схема)

Для заэвтектоидных сталей, содержащих углерода более 0,8 %, рекомендуется неполная закалка с температуры Ас₁ + (30—50°С). Получаемая при этом структура состоит из мар­тенсита, вторичного цементита и незначительного количества (не показанного на рисунке) остаточного аустенита (рис. 6). При полной закалке заэвтектоидных сталей с температу­ры Ас_m +(30—50°) структура закаленной стали состоит из мартенсита и достаточно большого количества остаточного аустенита (рис. 7) , что приводит к снижению твердости закаленной заэвтектоидной стали стали.

Рис. 6. Микроструктура заэвтек- Рис.7. Микроструктура заэвтектоидной

тоидной стали после непол­ной стали после полной закалки: мартенсит закалки: цементит и мартенсит и аустенит остаточный (схема) (схема)

Уменьшить количество остаточного аустенита в закаленной стали можно обработкой холодом.

Для обработки холодом, изделие после закалки помещают в холод­ную среду с температурой ниже М_к на время, необходимое для охлажде­ния по всему поперечному сечению. Практически для этой цели удобно использовать смесь твердой углекислоты и спирта, температура которой равно минус 78°С. В некоторых случаях применяют жидкий воздух (минус 183°С) или жидкий азот (минус 196°С).

Переохлаждение в область отрицательных температур (рис. 3) вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит и приводит к изменению свойств закаленной ста­ли: повышается твердость, возрастают магнитные свойства, увеличивается объем, стабилизируются размеры изделия.

Обработка холодом применяется для режущего и мери­тельного инструмента, цементуемых деталей, шарикоподшип­ников, калибров, деталей, работающих при низких темпера­турах и т. п.

Таким образом, максимальную твердость доэвтектоидные и эвтектоидные стали будут иметь после полной закалки, а заэвтектоидные после неполной. Оптимальные температуры на­грева доэвтектоидных и эвтектоидных сталей при закалке ле­жат на 30—50° выше линии GS, а заэвтектоидные на 30—50° выше линии SE.