Богодухов С.И., Бондаренко Е.В., Проскурин А.Д. и др. Материаловедение и технологические процессы машиностроительного производства. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

больше отношение

, называемое тетрагональностью мартенсита, выше его

прочность, твёрдость, внутренние напряжения, ниже пластичность и вяз-

кость.

Мартенситное превращение происходит при непрерывном охлаждении

в интервале температур М

– М

(М

– температура начала мартенситного

превращения, М

– температура конца мартенситного превращения), который

зависит от содержания углерода в стали (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 – Зависимость температуры начала и конца мартенситного пре-

вращения от содержания углерода и стали

Если охлаждение прекратить, то мартенситное превращение останав-

ливается. Это наиболее ярко отличает его от перлитного превращения. Мар-

тенситное превращение не протекает до конца. Поэтому в закаленной стали,

особенно в стали, имеющей точку М

, ниже 20 °С, присутствует остаточный

аустенит. Его количество тем большее, чем выше содержание углерода в

аустените.

Мартенсит образуется в результате лавинного смещения атомных

плоскостей в решётке аустенита и имеет форму пластин, растущих с громад-

ной скоростью. Пластинки мартенсита ориентированы относительно друг

друга под определенными углами (рисунок 6.3). Размеры кристаллов мартен-

сита определяются величиной зерна исходного аустенита.

Мартенсит по сравнению с аустенитом имеет значительно больший

удельный объём. Это является одной из основных причин роста внутренних

напряжений, вызывающих деформацию и даже разрушение изделий при за-

калке.

Мартенсит обладает высокой твёрдостью и прочностью. В стали с 0,6 -

0,7 % С твердость мартенсита составляет 65 HRC, а временное сопротивле-

ние достигает 2000 - 2300 МПа. Вместе с тем мартенсит характеризуется вы-

сокой хрупкостью и низкой вязкостью.

а)

б)

а – пакетный мартенсит (в сталях, содержащих не более 0,5 % C);

б – пластинчатый мартенсит (в высокоуглеродистых сталях)

Рисунок 6.3 – Микроструктура углеродистой стали после закалки

6.2.2.3 Бейнитное превращение аустенита

В температурной области между перлитным и мартенситным превра-

щениями протекает промежуточное (бейнитное) превращение. При этом об-

разуется бейнит, состоящий из несколько пересыщенного α-твердого рас-

твора и частиц карбидов. Бейнитное превращение протекает при температу-

рах, когда самодиффузия железа и диффузия легирующих элементов практи-

чески невозможна, скорость диффузии углерода ещё достаточно высока.

Различают структуру верхнего и нижнего бейнита (рисунок 6.4).

Верхний бейнит образуется в интервале температур 500-350 ºC. На фо-

не α - твердого раствора выделяются изолированные узкие частицы карби-

дов (рисунок 6.4 а).

)

а – верхний бейнит; б – нижний бейнит

Рисунок 6.4 – Микроструктура углеродистой стали

Нижний бейнит образуется при температурах от 350 ºC до точки М

имеет игольчатое мартенситоподобное строение (рисунок 6.4 б). По сравне-

нию со структурами перлитного типа нижний бейнит имеет более высокую

твёрдость и прочность при высокой пластичности и вязкости, поэтому закал-

ку на нижний бейнит широко используют для упрочнения деталей машин.

6.2.4 Диаграмма изотермического распада аустенита

Для описания процесса превращения переохлаждения сталей пользу-

ются экспериментально построенными диаграммами изотермического распа-

да аустенита. Образцы сталей, нагретые до аустенитного состояния, быстро

переносят в ванну с жидкой средой, имеющей температуру ниже равновес-

ной температуры превращения. Фиксируя при этом изменение какого-либо

свойства, определяют время начала и конца превращения. Полученные точки

отмечают в координатах время - температура и, соединив между собой, по-

лучают две линии

в виде буквы «С» - С - образные кривые (рисунок 6.5).

Линия 1 указывает время начала распада, линия 2 - время окончания распада

аустенита. Левее линии 1 расположена область существования повреждённо-

го аустенита, между линиями 1 и 2 находится область, в которой происходит

превращение, правее линии 2 лежит область существования продуктов пре-

вращения. Аустенит начинает распадаться по истечении определенного пе-

риода времени с момента переохлаждения. Этот период называют инкубаци-

онным.

На диаграмме можно выделить три температурные зоны: зона перлит-

ного превращения (I), в которой образуются структуры перлита, сорбита и

троостита, зона бейнитного превращения (II) и зона мартенситного превра-

щения (III).

Минимальная скорость охлаждения v

кр

, при которой аустенит превра-

щается в мартенсит, называется критической скоростью закалки.

Рисунок 6.5 – Диаграмма изотермического распада аустенита

Технология закалки стали включает операции: нагрев, выдержку при

заданной температуре и охлаждение со скоростью обычно выше критиче-

ской.

6.2.5 Выбор температуры нагрева под закалку

Температуру нагрева назначают по диаграмме состояния железо-

углерод. Доэвтектические стали нагревают на 30-50 ºС выше критической

точки А

, заэвтектоидные - на 30-50 °С выше А

(рисунок 6.6).

Рисунок 6.6 – Оптимальный интервал температур закалки углероди-

стой стали

Закалка с нагревом до межкритических температур, при которых со-

храняется избыточная фаза - феррит или вторичный цементит, называется

неполной. Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке, а заэвтектоид-

ные - неполной. После закалки доэвтектоидные и эвтектоидные стали имеют

структуру мартенсита, а заэвтектоидные – мартенсита и цементита, который

повышает износостойкость изделий. Нагрев до более высоких температур

вреден, так как это ведёт к повышению количества остаточного аустенита в

заэвтектоидных сталях, росту аустенитного зерна и закалочных напряжений,

обезуглероживанио поверхности изделий.

При достижении заданной температуры нагрева проводят выдержку

для полного прогрева деталей по сечению, для завершения фазовых превра-

щений и выравнивания состава аустенита по объему.

6.2.6 Определение продолжительности нагрева

Для ориентировочного определения общей продолжительности нагрева

общ

можно пользоваться справочными данными (таблица 6.2) или рассчи-

тать по формуле

.... випсобщ

где

..пс

- продолжительность сквозного нагрева до заданной температуры;

..ви

- продолжительность изотермической выдержки при данной темпе-

ратуре;

..пс

- зависит от формы и размеров изделий, их расположения в печи,

типа печи, состава стали;

..ви

- зависит только от состава и исходного состояния стали.

Таблица 6.2 – Ориентировочные нормы нагрева стали при термической

обработке в лабораторных электрических печах

Форма изделия

круг квадрат пластина

Продолжительность нагрева, мин.

Температура

нагрева, ºC

на 1 мм диаметра на 1 мм толщины

600 2 3 4,0

700 1,5 2,2 3,0

800 1,0 1,5 2,0

900 0,8 1,2 1,6

1000 0,4 0,6 0,8

6.2.7 Закалочные среды

Охлаждение изделия в закалочных средах протекает в три стадии:

- плёночное охлаждение с образованием «паровой рубашки» на по-

верхности;

- пузырьковое кипение;

- конвективный теплообмен.

Охлаждение протекает тем интенсивнее, чем шире температурный ин-

тервал пузырькового кипения. Быстрое охлаждение для закалки на мартенсит

необходимо проводить в интервале температур наименьшей устойчивости

переохлаждённого аустенита. Для большинства сталей это интервал 650 –

400 ºC.

В качестве закалочных сред чаще всего используют воду, водные рас-

творы NaOH или NaCl и масла (таблица 6.3).

Таблица 6.3 – Скорость охлаждения стали в различных средах

Скорость охлаждения

ºС/с в интервале температур ºC

Охлаждающая среда

650-

550

300-200

1 2 3

Вода при температуре, ºC:

18 600 270

28 500 270

50 100 270

54 30 270

10 % водный раствор:

NaOH 1200 300

NaCl 1100 300

соды 300 270

мыльная вода 30 200

Масло минеральное 150 30

Масло трансформаторное 120 25

Воздух:

спокойный 3 1

под давлением 30 10

6.3 Порядок выполнения работы

6.3.1 Ознакомьтесь с разделами настоящего руководства.

6.3.2 Получите у лаборанта 3 образца доэвтектоидной и 3 образца заэв-

втектоидной стали.

Пользуясь диаграммой состояния железо-углерод, определите темпера-

туры нагрева этих сталей под закалку. По таблице определите общее время

нагрева.

6.3.3 Определите твёрдость полученных образцов. Просмотрите и

опишите их микроструктуру.

6.3.4 Поместите образцы в нагретую до выбранной вами температуры

печь. После необходимой выдержки охладите по одному образцу в воде,

масле и на воздухе.

6.3.5 После удаления с поверхности окисленного и обезуглероженно-

го слоя измерьте твёрдость закалённых образцов на приборе по методу Рок-

велла.

6.3.6 Подготовьте микрошлифы, просмотрите и опишите микрострук-

туру образцов после закалки.

6.3.7 По результатам выполнения работы заполните таблицу 6.4.

Таблица 6.4

Режимы закалки

№

Марка

стали

Микроструктура

и твёрдость

HRC исходных

образцов

температура,

ºC

время

нагрева,

мин.

охлаж-

дающая

среда

Твёрдость

после за-

калки,

HRC

Микр

струк

после

калк

6.3.8 Сделайте вывод о влиянии скорости охлаждения на структуру и

твёрдость различных марок сталей.

6.4 Содержание отчета

6.4.1 Цель работы

6.4.2 Краткое описание диаграммы изотермического превращения ау-

стенита.

6.4.3 Характеристика структур, образующихся при закалке.

6.4.4 Порядок назначения температур нагрева углеродистых сталей

при закалке.

6.4.5 Таблица результатов экспериментальной работы и рисунки мик-

роструктур сталей после закалки.

6.4.6 Выводы

6.5 Контрольные вопросы

6.5.1 В чём сущность процесса закалки?

6.5.2 Опишите механизм мартенситного превращения. Каковы условия

образования мартенсита?

6.5.3 Дайте характеристику мартенсита.

6.5.4 Как протекает промежуточное превращение и какие структуры

при этом образуются?

6.5.5 Как выбрать температуру нагрева углеродистой стали при закал-

ке?

6.5.6 Почему заэвтектоидную сталь подвергают неполной закалке?

6.5.7 Какую структуру имеет заэвтектоидная сталь после закалки?

6.5.8 Какова температура нагрева под закалку стали 45 (60, У8, У12)?

6.5.9 Какие структуры образуются при распаде аустенита в перлитной

области и чем они отличаются между собой?

6.5.10 Назовите стадии охлаждения металла при закалке. Какая стадия

способствует наиболее быстрому охлаждению?

7 Лабораторная работа № 7

Отпуск углеродистых сталей

7.1 Цель работы

7.1.1 Изучение превращений при отпуске углеродистых сталей.

7.1.2 Ознакомление с технологическим процессом отпуска и получение

практических навыков назначения режимов отпуска.

7.2 Общие сведения

Так как после закалки стали получают неравновесную мартенситную

структуру, которая имеет высокий уровень внутренних напряжений, высо-

кую прочность и твердость в сочетании с низкой пластичностью и вязкостью,

закаленная сталь обязательно подвергается отпуску. Целью отпуска является

снижение внутренних напряжений и достижение требуемого комплекса ме-

ханических свойств.

Отпуском называют вид термической обработки, заключающийся в на-

греве стали, подвергнутой закалке, до температуры ниже А

, выдержке и по-

следующем охлаждении с целью превращения неравновесной структуры в

более равновесную.

В основе процессов, происходящих при отпуске, лежит переход зака-

ленной стали в более устойчивое состояние, сопровождающийся распадом

мартенсита и остаточного аустенита с образованием в конечном итоге фер-

ритно-цементитных структур. Характер и скорость протекания этих процес-

сов определяется температурой нагрева при отпуске.

Рисунок 7.I - Дилатометрическая кривая отпуска углеродистой стали

Превращения при отпуске можно зафиксировать с помощью дилато-

метра - прибора, который используют для контроля изменения длины образ-

ца при нагреве и охлаждении. На дилатометрической кривой (рисунок 7.1)

пре-

вращение мартенсита, имеющего наибольший удельный объём, сопровожда-

ется уменьшением размеров, а аустенита, удельный объем которого минима-

лен - увеличением.

В процессе отпуска можно выделить четыре превращения.

7.2.1 Распад мартенсита (первое превращение)

При нагреве закаленной стали в интервале температуре от 80 до 200 °С

из мартенсита начинает выделяться пересыщающий его углерод в виде мета-

стабильного ε - карбида, имеющего химический состав близкий к Fe

Снижение количества растворенного углерода уменьшает тетрагональ-

ность мартенсита, в результате его объем уменьшается. Сокращается длина

образца, фиксируемая на дилатометрической кривой.

В результате распада мартенсита образуется структура, которую назы-

вают отпущенным мартенситом, отличающимся от мартенсита закалки мень-

шей концентрацией углерода и дисперсными пластинчатыми включениями ε

- карбида, когерентно связанными с решеткой мартенсита.

7.2.2 Превращение остаточного аустенита (второе превращение)

При нагреве в интервале температур 200-300 °С основным процессом

является превращение остаточного аустенита. В результате образуется струк-

тура, состоящая из пересыщенного α – твердого раствора (мартенсита)

и карбидной фазы. Одновременно продолжается распад мартенсита и

начинается превращение ε - карбида в цементит.

Второе превращение сопровождается увеличением длины образца (ри-

сунок 7.1), так как остаточный аустенит имеет меньший объём, чем продукты

его распада.

7.2.3 Снятие внутренних напряжений и карбидное превращение

(третье превращение)

При нагреве закаленной стали до температур 350-400 °С завершается

превращение ε - карбида в цементит. Когерентность решёток твердого рас-

твора и карбида нарушается, форма карбидных частиц приближается к сфе-

роидальной, полностью завершается процесс выделения углерода из

твёрдого раствора (мартенсита). Мартенсит переходит в феррит. Структур-

ные изменения обеспечивают релаксию макро- и микронапряжений, обра-

зующихся при закалке.