Дубовий_О._М._и_др.pdf(Материаловедение)

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

4. Написати звіт по роботі, в якому коротко сформулювати мету роботи; навести відомості про способи отримання різних видів чавунів, їх застосування, маркування, а також опис і схеми мікроструктур зразків чавуну.

Прилади, матеріали та інструменти

Дляпроведенняроботинеобхідноматиметалографічнімікроскопи, набірмікрошліфівчавунів, атласмікроструктур.

Контрольні запитання

1.Які сплави належать до чавуну?

2.На які групи поділяють чавуни?

3.Яку діаграму стану використовують при аналізі мікроструктури білихчавунів?

4.Чому білий чавун має обмежене застосування?

5.Що називають ледебуритом?

6.Якийпроцеспроходитьубілихчавунахприпереохолодженнірозплавунижче1147 °С?

7.Скільки вуглецю міститься в евтектичному білому чавуні?

8.Скільки структурних складових можна побачити при кімнатній температурі в білих доевтектичному, евтектичному і заевтектичному чавунах?

9.Яким методом одержують сірі, ковкі та високоміцні чавуни?

10.Чим відрізняються мікроструктури графітизованих чавунів на однаковійоснові?

Лабораторна робота № 7

ВПЛИВ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ НА МІКРОСТРУКТУРУ І ТВЕРДІСТЬ ВУГЛЕЦЕВОЇ СТАЛІ

Метароботи: дослідитивпливтемпературинагріваннядлягартування на мікроструктуру і твердість вуглецевої сталі; набути практичні навичкивизначатитемпературугартування; дослідитивплившвидкості охолодження на мікроструктуру й твердість вуглецевої сталі; дослідити перетворення, які відбуваються у загартованій вуглецевій сталі після відпуску; провестианалізструктуриівластивостейпіслявідпуску.

52

Вплив термічної обробки на мікроструктуру і твердість вуглецевої сталі

Теоретичні відомості

Термічна обробка – це сукупність технологічних операцій теплової дії на метал для забезпечення потрібних технологічних, механічних та фізико-хімічнихвластивостейвиробівунаслідокзміниструктури.

Основними параметрами режиму термічної обробки є температура ішвидкістьнагрівання, часвитримкипризаданійтемпературі, швидкість охолодження. Режим будь-якої термічної обробки може бути зображе- нийграфічновкоординатах"температура–час". Основнимивидамитермічної обробки сталей є відпал I роду, відпал II роду, гартування з подальшим відпуском.

Гартування – зміцнювальний вид термообробки, в результаті якого у сплавах утворюється нерівноважна (метастабільна) структура. Воно широкозастосовуєтьсявмашинобудуваннідляпідвищенняміцності, твердості та стійкості до спрацювання сталевих деталей.

Для набуття метастабільних структур сталеві деталі нагрівають і витримують при температурі існування аустеніту, а потім охолоджують зі швидкістю, яка дає змогу зафіксувати мартенсит. Мартенсит – орієнтованаструктура, щоявляєсобоюпересиченийтвердийрозчинвуглецю в α-залізі. Властивості після гартування залежать від температури нагрівання, тривалостівитримки, швидкостіохолодженнядеталейтощо.

Процес гартування сталі внаслідок перетворення кристалічних ґратоксупроводжуєтьсязбільшеннямвнутрішніхнапружень, якіможутьбути більшими за границю міцності сталевої загартованої деталі.

Гартують, якправило, сталі зпідвищеним вмістомвуглецю, асталі, в яких він менше 0,3 %, не гартують, оскільки в них не відбувається суттєвогопідвищеннятвердостітаміцності. Міцністьсталіпіслягартування підвищується в міру збільшення вмісту вуглецю до 0,7 %, а потім воназалишаєтьсяпрактичносталоюнарівніприблизно670 НВ.

Загартована доевтектоїдна сталь зазвичай має структуру дрібноголчатогомартенситу з незначноюкількістюзалишкового аустеніту, евтектоїдна сталь – структуру мартенситу із залишковим аустенітом, а заевтектоїдна – структуру мартенситу з вторинним цементитом і залишковимаустенітом.

Залежно від режиму термообробки розрізняють повне та неповне гартуваннясталі. Дляповногогартуваннястальнагріваютьна30...50 °С вищевідкритичноїточкиАс3 (Аст), адлянеповного– вищевідточкиАс1, але нижче від Ас3 (Аст).

53

54

Вплив термічної обробки на мікроструктуру і твердість вуглецевої сталі

прохарактерперетвореньпринеперервномуохолодженністалі. Дляцього накладемо криві охолодження евтектоїдної вуглецевої сталі на її С-по- дібну діаграму (рис. 7.2,а). Швидкість охолодження V характеризується нахиломкривої(одиницяшвидкостіохолодження– °С/с). Чимповільніше відбувається охолодження сталі, тим більш пологою стає крива її охолодження. Перетворення аустеніту при дуже малій швидкості V1 відбуваєтьсявумовах, близькихдорівноважних, затемператури, наближеної до А1. При цьому утворюються грубодисперсні феритно-цементитні суміші. Підчаснеперервногоохолодженняаустеніт переохолоджується до температури нижче від точки Аr1, при цьому підвищення швидкості охолодженнязумовлюєзниженнятемпературиперлітногоперетворення (див. рис. 7.2,б). Ця температура характеризує нерівноважні умови перетворення сталі.

Рис. 7.2. Залежністьструктуриевтектоїдноївуглецевоїсталі(а) іположеннякритичноїточки(б) відшвидкостіохолодження

Перетворення аустеніту на перліт при неперервному охолодженні сталі розвивається в інтервалі температур. Чим більша швидкість охолодженняіменшийтемпературнийінтервалрозпадуаустеніту, тимвища дисперсністьутворюванихферитно-цементитнихсумішей. Приневеликій швидкостіохолодженняV1 утворюєтьсяперліт, прибільшійV2 – сорбіт, а при ще більшій V3 – троостит.

При значно більших швидкостях охолодження сталі, наприклад V4, аустеніт розпадається у двох температурних інтервалах: частина його

55

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

зазнаєспочаткуперлітного, апотімбейнітногоперетворення, азалишкова частина переохолоджується до температури, що відповідає точці Мп, і перетворюється на мартенсит. Унаслідок цього утворюється мішана структура трооститу, бейніту та мартенситу. При швидкостях охолодження сталі спостерігаються дві критичні точки: Аr' і Мп. Як випливає з рис. 7.2,а, утворення суто бейнітної структури при неперервному охолодженніаустенітувуглецевоїсталінеможливе.

Принадтошвидкомуохолодженні, наприкладзішвидкістюV5, переохолодженийаустенітповністюзберігаєтьсядолініїточокМп іперетворюється на мартенсит. Нижче від точкиМп дифузійна рухливість атомів вуглецю стає дуже малою. У цих умовах перетворення аустеніту відбуваєтьсябездифузійнимшляхом: кристалічніґраткиFeγ завдякикооперативному (одночасному) зміщенню однієї чи кількох суміжних площин атомів заліза перетворюються на ґратки Feα. Оскільки дифузійні процеси загальмовані, весь вуглець, розчинений в аустеніті, залишається вґраткахFeα. Розчинністьвуглецюваустенітізначнобільша(максимум у 100 разів), ніж у фериті, тому утворюється пересичений твердий його розчин в α-залізі, який називається мартенситом. Мартенситне перетвореннясталізавершуєтьсяпіслядосягненнятемператури, щовідповідає точці Мк. Це перетворення відбувається в сталі при її гартуванні. ПриутвореннімартенситуґраткиFeα дужеспотворюються, перетворюючись із кубічних на тетрагональні. Це дуже міцна та тверда структурна складова сталі, разом із цим і крихка. Велика твердість мартенситу пояснюється значними внутрішніми напруженнями в його ґратках, зумовлениминадмірнорозчиннимвуглецем, подрібненнямблоковоїструктури його зерна та високою щільністю дислокацій. Властивості мартенситу залежать від вмісту вуглецю в ньому: зі збільшенням вмісту вуглецютвердість, авдеякомуінтервалійграницяміцностізростають, апластичність та ударна в'язкість збігаються.

Для розроблення технології термічної обробки крім діаграм ізотермічного розпаду аустеніту використовують термокінетичні діаграми. За цими діаграмами можна отримувати точні дані про температурні інтервалипроходженняфазовихперетвореньприбезперервномуохолодженні й структурні складові, які при цьому утворюються. Термокінетичні діа- грамитакожбудуютьукоординатах"температура–час" наосновіаналізу серії кривих охолодження, на яких відмічають температури початку ікінцяперлітногойпроміжнихперетвореньівідповідноїобластіцихперетворень(рис. 7.3). Тонкілініїнадіаграмідляевтектоїдноїсталівідпо-

56

Вплив термічної обробки на мікроструктуру і твердість вуглецевої сталі

відають діаграмі ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту.

Рис. 7.3. Термокінетичнідіаграмиперетворення переохолодженогоаустеніту:

а – евтектоїдна сталь; б– доевтектоїдна стальіз0,4 % С, 1 % Cr, 0,15 % Mo

Ці діаграми показують, що при малих швидкостях охолодження увуглецевійсталіпроходитьтількидифузійнийрозпадаустенітузутворенням феритно-цементитної структури різного ступеня дисперсності. Привисокихшвидкостяхохолодження, вищихвідкритичної, дифузійний розпад аустеніту пригнічується і проходить мартенситне перетворення. У легованій сталі існує також область проміжного бейнітного перетворення, в якій аустеніт розпадається з утворенням бейніту. Прискорення швидкостіохолодженняпригнічуєперлітнеперетворенняіприводитьдо утвореннябейніту. Проміжнеперетвореннянепроходитьдокінця, тому після охолодження разом з бейнітом завжди будуть присутні мартенсит ізалишковийаустеніт.

Мінімальна швидкість охолодження сталі, яка забезпечує утворення суто мартенситної структури, називається критичною швидкістю гартування (Vкр). Її можна визначити графічно, провівши дотичну до кривоїпочаткуізотермічногоперетвореннясталібіляїївиступу. Числове

57

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

значеннякритичноїшвидкостігартуваннясталіможназнайтизаформулою

Vкр = А1 − Тт ,

1,5τт

де А1 – температура критичної точки сталі, °С; Тm – температура біля виступу кривої початку ізотермічного перетворення сталі, °С; τm – тривалістьмінімальноїстійкостіаустеніту, с.

Дійсна критична швидкість гартування сталі приблизно в 1,5 рази менша, ніж визначена графічно. Це і враховується коефіцієнтом у знаменникуформули.

Значення критичної швидкості гартування залежать від стійкості аустеніту. Чимвонавища, тобточимправішезсунутікривінаС-подібній діаграмі, тим менша критична швидкість гартування сталі. Отже, її значення залежить від вмісту вуглецю в сталі.

Вобласті температур, розташованих вище від точки Тm, вигідним

єохолоджування сталі з помірною швидкістю. Для середньовуглецевих сталей область мінімальної стійкості лежить між 650 і 500 °С. При вищихтемпературахаустенітвідносностійкийіпередчаснеперетворення йогонаферитно-перлітнусумішневідбувається. Утойжечасприплавномуохолодженністалівобластівисокихтемпературвирівнюєтьсятемпература по перерізу і зменшуються температурні напруження. Сталь щедоситьпластична, томуймовірністькоробленнясталевихвиробівта утвореннятріщинмінімальна.

Повільне охолодження сталі бажане також в області, розташованій нижчевідінтервалутемпературмінімальноїстійкостіаустеніту, оскільки вційобластійогостійкістьзновупідвищується. Притемпературі300 °С

інижчешвидкеохолодженнясталіособливонебезпечневнаслідоктого, що вона стає не такою пластичною, ніж при високих температурах. Термічні напруження в сталі додаються до напружень, які виникають при перетворенні аустеніту на мартенсит. Тому при швидкому охолодженніпідвищуєтьсянебезпекаутвореннятріщинікоробленнясталі.

Швидкість охолодження сталевих деталей можна регулювати застосовуючи різноманітні гартівні середовища: воду, водяні розчини солей, кислот, лугів і полімерів, різні масла, розплавлені солі та метали, емульсіїтощо. Головноювимогоюдогартівнихсередовищєвеликаохолодна здатність в інтервалі температур 650...550 °С і зменшена охолодна здатність при 300 °С та нижче.

58

Вплив термічної обробки на мікроструктуру і твердість вуглецевої сталі

Відпуск сталі належить до завершальних операцій її термообробки

іздійснюється після гартування. Ним усувають надмірну крихкість загартованоїсталітаотримуютьструктуру, стійкішупризвичайнійтемпературі. Крім того, відпуск повністю або частково усуває внутрішні напруження, що виникають при гартуванні. Ці напруження знімаються тим швидше, чим вища температура. Відпуск сталі полягає в тому, що загартовані деталі нагрівають до температури, нижчої за межу струк-

турних перетворень (А1), витримують і потім охолоджують з довільною швидкістю.

Відпусквуглецевихсталейсупроводжуєтьсяструктурнимизмінами передусімукристалахмартенситу. Першоюпричиноютакихзмінєутворення в мартенситі ділянок з неоднорідною концентрацією (сегрегацій) вуглецю.

Утворення кластерів (плоских скупчень атомів вуглецю одноатомноїтовщини) проявляєтьсяпритемпературідо100...150 °Сумартенситі сталей із вмістом вуглецю більше ніж 0,7 %. Скупчення атомів вуглецю зумовлюєзміщенняатомівзаліза, щопризводитьдоспотворенняґраток мартенситу.

Наступною структурною зміною під час відпуску сталі можна вважати виділення проміжних карбідів з мартенситу. Експериментально

виявлено при температурі приблизно 100 °С метастабільну структуру

ξ-карбіду з імовірною формулою Fe2,4C. Цей карбід має гексагональні кристалічні ґратки на відміну від ромбічних ґраток цементиту. Не виділяється ξ-карбід у сталях з концентрацією вуглецю менше 0,2 %, тому що під час відпуску більшість атомів вуглецю зв'язані з дислокаціями.

При температурі вище 250 °С і в інтервалі температур 300...400 °С дуже активно відбувається утворення більш стабільної структури це-

ментиту Fe3C. Вона близька до структури цементиту відпаленої сталі. До завершальних процесів карбідоутворення під час відпуску сталі належать процеси, незв'язані з фазовими перетвореннями: коагуляція

ісфероїдизація цементиту. Його частинки набувають круглої форми

ізбільшуються в розмірах.

Відпусквисоковуглецевихсталейсупроводжуєтьсярозпадомзалишкового аустеніту, який при гартуванні цих сталей утворюється у великій кількості. Його розпад спостерігається в інтервалі температур 200...

...300 °С. При відпуску сталі залишковий аустеніт перетворюється на нижнійбейніт.

59

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Під час відпуску сталі відбувається також зміна стану матричної фази, що спостерігається у всьому температурному інтервалі та характеризуєтьсязменшеннямвмісту вуглецюв α-розчиніпривиділеннікар- бідноїфази.

Важливими процесами, що відбуваються в α-фазі під час відпуску сталі, такожєповерненняірекристалізація.

Структуравідпущеноїсталіформуєтьсявперіодвитримкипритемпературівідпуску, томуінтенсивністьнаступногоохолодженнянезумовлює яких-небудь змін у ній. Як правило, сталеві деталі охолоджують на спокійномуповітрі.

Залежно від температури та утвореної структури металу розрізняютьнизький, середнійтависокийвідпускисталі.

Низький відпуск здійснюється нагріванням сталі до 150...250 °С й охолодженням її з будь-якою швидкістю. Цей вид відпуску застосовують для різноманітного різального та вимірювального інструментів з вуглецевих і низьколегованих сталей, а також деталей після обробки їхніхповерхоньгартуванням, цементацієютощо.

Середній відпуск здійснюється нагріванням сталі до 300...450 °С, коли мартенсит перетворюється на троостит відпуску. Такий відпуск використовується, наприклад, привиготовленнірізнихсталевихдеталей, що працюють за умов тертя (пружин, ресор штампів тощо).

Високий відпуск здійснюється нагріванням сталі до 500...650 °С, коли мартенсит перетворюється на сорбіт відпуску. Деякі сталі після цьоговідпуску охолоджуютьуводіабомаслі. Високийвідпускзастосовуютьдлядеталейзконструкційнихсталей, щопрацюютьприпідвищенихідинамічнихнавантаженнях.

Процес гартування з високим відпуском називають поліпшенням сталі. Післятакоїобробкистальнабуваєкращогопоєднанняміцностіта в'язкостіпорівнянозвідпалюваннямінормалізацією.

У сталі, обробленій на сорбіт відпуску, зменшується твердість до 250...350 НВ, знижуєтьсяміцністьу1,5...2,0 рази, апластичністьів'язкість збільшуються в кілька разів. Відпуск при температурі 600...650 °С усуваєвнутрішнінапруженнявсталіповністю.

Нормалізація належитьдодоситьпоширенихметодівтермічноїобробки сталей. Від повного відпалу вона відрізняється тим, що охолодженнясталевихвиробівпіслявитримкивпечіздійснюютьприскорено наспокійномуповітріабовйогострумені.

Длянормалізаціїстальнагріваютьдоповноїперекристалізації, тобтона30…50 °СвищевідкритичноїточкиАс3 длядоевтектоїднихсталей

60

Вплив термічної обробки на мікроструктуру і твердість вуглецевої сталі

або Аст для заевтектоїдних. Після охолодження на спокійному повітрі сталь набуває дрібнозернистої однорідної структури, зменшуються внутрішнінапруженняувиробах.

Нормалізацію найчастіше застосовують як проміжну обробку для поліпшення структури сталі перед гартуванням. Однак іноді вона може бутикінцевою, томущодаєможливістьотриматисприятливепоєднання властивостейміцностійпластичності.

Порядок виконання роботи

1.Визначитизадіаграмою"залізо–цементит" температурунагрівання

підгартуванняtн длясталі40. П'ятьзразківпоміститивпіч, розрахувати час нагрівання і витримки τв.

2.Провестиохолодженнязразків: три– уводі, один– умаслі, один– наповітрі.

3.Заміряти твердість зразків після термічної обробки.

4.Провести низький, середній і високий відпуски за одним зразком загартованої сталі. Заміряти твердість після термічної обробки.

5.Визначити за діаграмою "залізо–цементит" температуру гартування для сталі У12. Три зразки помістити в піч, розрахувати час нагріванняівитримки.

6.Провестиохолодженнязразків: один– уводі, один– умаслі, один

–наповітрі.

7.Заміряти твердість зразків після термічної обробки.

8.Провести низький відпуск загартованого зразка. Заміряти твердість після термічної обробки.

9.Усі дані занести у таблицю. Для сталі 40 побудувати графік залежності твердості від температури відпуску.

10. Написати звіт по роботі, в якому коротко сформулювати мету роботи, проаналізуватиперетворенняідатихарактеристикумікроструктурам, якіутворилисяприрізнихвидахтермічноїобробки, описатиекспериментальнучастину, навеститаблиці, графіки.

61