Лабораторная работа №4 микроструктура стали после термической обработки

1. 
   КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
   

В основу термической обработки изделий машиностроения положены фазовые превращения первого рода, происходящие в твердом состоянии на этапах нагрева и охлаждения у железоуглеродистых сплавов (рис. 11).

Рис. 11. Интервал температур нагрева на диаграмме состояния

железо - углерод при отжиге и закалке изделий

В процессе медленного нагрева в печах при проведении закалки или отжига по достижении температуры, обозначенной t_Ас1 (для углеродистых сталей 727 °С) происходит фазовое превращение перлита в аустенит: П (Ф+Ц)  А. В доэвтектоидных сталях (Ср < С < Cs) при последующем нагреве в интервале температур t_Ас1…t_Ас3 происходит после завершения превращения П  А еще фазовое превращение феррита в аустенит: Ф  А.

Важнейшую роль при термической обработке играет этап охлаждения, на котором формируется из аустенита окончательная микроструктура. В зависимости от степени переохлаждения аустенита ниже температуры t_А1 (727 °С) происходит одно из трех фазовых превращений:

перлитное: А  Ф + Ц;

бейнитное: А  Б;

мартенситное: А  М.

Интервалы температур указанных фазовых превращений для одной из доэвтектоидных углеродистых сталей показаны на диаграмме изотермического превращения переохлажденного аустенита. (рис. 12). На этой диаграмме горизонтальными пунктирными линиями нанесены температуры фазовых превращений Ас₁ и Ас₃ в равновесном состоянии, а сплошные линии разделяют диаграмму на области с различными фазами (границу между перлитным и беинитным превращениями в виде линии диаграмма не показывает). Приведены также нанесенные на диаграмму кривые охлаждения: V₁ - с печью (полный отжиг); V₂ - на спокойном воздухе (нормализационный отжиг); V₃ - в масле (частичная закалка); V₄ > V_{кр. зак.} - в воде (полная закалка).

Рис. 12. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита доэвтектоидной углеродистой стали

При перлитном превращении А  Ф + Ц с понижением его температуры уменьшаются толщины пластин феррита _ф и одной цементита _ц ( = _ф+ +_Н), а твердость смеси Ф + Ц возрастает. Структуры, отличающиеся по величинам  и твердости, получили разное наименование: перлит ( = 0,6…1,0мкм), сорбит ( = 0,25…0,30 мкм), троостит ( = 0,10…0,15 мкм).

Бейнит представляет собой двухфазную структуру из несколько перенасыщенного твердого раствора углерода в  -железе с искаженной кристаллической решеткой ОЦК и дисперсных кристаллов карбидов. Он характеризуется высокой твердостью HRC 38…46 и прочностью.

Мартенсит является перенасыщенным твердым раствором внедрения углерода в искаженной кристаллической решетке железа ОЦК (тетрагональная решетка с отношением с/а > 1). В конструкционных среднеуглеродистых сталях микроструктура представляет собой пакетный мартенсит из параллельных тонких пластин толщиной 0,1…0,2 мкм с большой твердостью HRC > 45.

На перлитном превращении основано проведение полного и нормализационного отжига, а на мартенситном – закалки изделий.

После закалки выполняется еще одна термическая обработка -отпуск (нагрев до температур не выше t_Ас1 (727 ⁰С)). В зависимости от конкретной температуры нагрева образуются различные структуры. При нагреве до 160… 200 °С (низкий отпуск) формируется структура отпущенного мартенсита (мартенсит, из которого частично путем диффузии выделился углерод в виде дисперсных пластин особого -карбида).

Отпуск при температурах 350…470 °С (средний отпуск) приводит к формированию игольчатой структуры троостита отпуска, состоящей из феррита и кристаллов цементита размером 0,5…1,0 мкм. Возрастание температуры отпуска до 550…650 ⁰С (высокий отпуск) обеспечивает получение сферических частиц цементита размером карбидов до 1,5…2 мкм в ферритной основе (сорбит отпуска).

Кроме объемного упрочнения применяются способы поверхностного упрочнения. Широко используется в машиностроении поверхностная закалка способом индукционного нагрева с использованием токов высокой частоты (ТВЧ) в десятки тысяч и более герц. Деталь помещают с некоторым зазором в специальное устройство - индуктор из медных трубок, к которому подают or машинного или лампового генератора ток высокой частоты. Вследствие возникновения в детали электрических вихревых токов с наибольшей плотностью в поверхностном слое происходит нагрев этого слоя выше температур фазовых превращений Ac₁ и Ас_з и образование аустенита.

При последующем быстром охлаждении в поверхностном слое аустенит превращается в мартенсит.

При термической обработке с лазерным нагревом (лазерное термоупрочнение) используются газовые и твердотельные лазерные установки, которые снабжаются системами транспортировки и фокусировки луча лазера, механизмами перемещения изделий по заданному режиму. При воздействии лазерного луча на поверхность происходит поглощение и передача энергии высокой концентрации тонкому поверхностному слою, соответствующий нагрев выше температур Ac₁ и Ас_з, возможно плавление и переход в жидкое состояние тонкого поверхностного слоя. В процессе быстрого охлаждения нагретого объема путем интенсивного теплоотвода холодной массой изделия без применения специальной охлаждающей среды создается скорость охлаждения до 1000 градусов в секунду (V_охл.V_{крит. зак.}), происходит фазовое превращение в нагретом малом объеме металла аустенита в мартенсит, то есть закалка.

При химико-термической обработке происходит одновременно тепловое и химическое воздействие на материал, что изменяет химический состав и структуру в поверхностных слоях деталей на некоторую толщину. Для изменения химического состава поверхностных слоев детали помещают в активную среду: газовую, жидкую, твердую, из которой в результате адсорбции атомов насыщаемого элемента поверхностью детали и дальнейшей диффузии адсорбированных атомов от поверхности на некоторое расстояние вглубь изделия формируется поверхностный слой с измененным химическим составом и структурой.

В машиностроении получили наибольшее применение следующие виды химико-термической обработки:

Цементация - поверхностное насыщение углеродом обычно в газовой науглероживающей среде (эндогазе и др.) при температуре 920…950 °С в течении 8…10 часов. После цементации детали подвергаются закалке от температуры 800…840 °С и низкому отпуску при 160…200 °С.

Нитроцементация - поверхностное насыщение одновременно углеродом и азотом в газовой среде при температуре 840…860 °С с выдержкой 4…8 часов. После завершения выдержки проводят закалку деталей и низкий отпуск при температуре 160…180 °С.

Азотирование – насыщение поверхностного слоя азотом в газовой среде диссоциированного аммиака при температуре 500…520 °С в течение 25…50 часов. После азотирования дополнительную термическую обработку не проводят.

Реже применяют другие виды химико-термической обработки, например насыщение поверхностных слоев деталей бором (борирование), алюминием (алитирование), кремнием (силицирование) и др.

Представление о толщине поверхностного слоя и твердости при некоторых видах химико-термической обработки дает табл. 13. Механические свойства некоторых сталей приведены в табл. 14.

Таблица 13. Глубина слоя и твердость поверхностного слоя

после химико-термической обработки деталей

Вид обработки	Цементация, закалка и низкий отпуск	Нитроцементация, закалка и низкий отпуск	Закалка, вы­сокий отпуск и азотирование
Толщина слоя, мм	1,5…1,8	0,2…0,8	03…0,5
Твердость поверхностного слоя	HRC 58…62	HRC 58…64	HV 850…1050

Таблица 14. Механические свойства поверхностного слоя и

сердцевины некоторых типовых сталей после термической обработки

2. 
   МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
   

Применяется телевизионная установка для демонстрации микроструктур.

Практическая часть работы заключается в изучении микроструктуры после различных видов отжига, закалки, отпуска закаленной стали, поверхностной закалки и лазерного термоупрочнения, цементации, цементации и нитроцементации с последующей закалкой и низким отпуском, азотирования и борирования. Микроанализ проводится, как правило, при увеличении микроскопа х100 или х600. Студентам предоставляются лабораторные коллекции микрошлифов, подготовленные для исследований.

Для более подробной оценки микроструктуры используется ГОСТ 8233 "Сталь. Эталоны микроструктуры". По этому стандарту может быть дана количественная характеристика или номер балла структуры по различным признакам: процентное соотношение между ферритом и перлитом, мартенситом и трооститом, пластинчатым и зернистым перлитом; балл дисперсности пластинчатого перлита, мартенсита.

Данные о микроструктуре сталей после различных видов термической и химико-термической обработки представлены в табл. 15 и на рис. 13.

Окончание табл. 15.

Рис. 13. Схемы микроструктур после термической и химико-термической обработки сталей

Итоги проведенной работы оформляются, в отчете, который должен содержать следующие разделы:

1. Цель работы.

2. Оборудование, приборы и материалы, использованные при выполнении работы.

3. Теоретические положения: понятия о перлитном, бейнитном и мартенситном фазовых превращениях; характеристики перлита, сорбита, троостита, бейнита и мартенсита. Характеристики структуры после отпуска закаленной стали при разных температурах. Понятие о цементации, нитроцементации и азотировании. Зарисовки диаграммы состояния железо-углерод и диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита доэвтектоидной углеродистой стали.

4. Методика проведения работы и полученные результаты. Зарисовки схем микроструктур стали после наиболее характерных разновидностей термической обработки (образцы 20, 21, 22, 24, 25, 27, 29-1, 29-2, 32), наименование и марка стали, вид термической обработки, составляющие структуры.

В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний студентами по вопросам для самопроверки. Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К РАБОТЕ И САМОПРОВЕРКИ

1. Какие фазовые превращения происходят при нагреве доэвтектоидных сталей до температур образования аустенита?

2. Какие три фазовые превращения происходят при распаде переохлажденного аустенита?

3. Что представляют собой перлитное, бейнитное и мартенситное превращения?

4. Какая разновидность мартенсита образуется в конструкционной стали?

5. Какие структурные изменения происходят при повышении температуры отпуска закаленных сталей?

6. Что представляют собой перлит, сорбит, троостит, бейнит, мартенсит?

7. Что представляют собой отпущенный мартенсит, троостит отпуска,

8. В чем заключается химико-термическая обработка материалов?

9. Какие основные разновидности химико-термической обработки применяются в машиностроении?

10. Какую микроструктуру имеет поверхностный слой после цементации?

11. Какую микроструктуру имеет поверхностный слой после цементации, закалки и низкого отпуска?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Основная:

Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: учеб. для студентов машиностр. спец. вузов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюшин; под ред. Г.П. Фетисова. – 3-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 2005. 862 с.

Дополнительная: