Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение (методы анализа, лабораторные работы и задачи)

Подождите немного. Документ загружается.

Типичные

структуры серых чугунов с различной металлической

основой

приведены на рис. 179. В микроструктуре заметны также

участки фосфидной эвтектики, влияющей не только на механические,

но

и на литейные свойства

чугуна.

Они немного повышают износо-

стойкость и улучшают жидкотекучесть.

Рис. 179. Серый яугун.

Х500.

а — с ферритной основой; б — с

феррито-перлитной;

в—с перлитной

Высокопрочный

чугун.

Его получают модифицированием магнием;

отличие от серого

чугуна

он имеет включения графита шаровидной

(рис.

180), а не пластинчатой формы. Механические свойства

чугуна

значительно выше.

Структуру высокопрочных чугунов определяют на нетравленых

шлифах (для выявления графитных включений), а затем на травленых

для характеристики металлической основы. Она состоит из феррита

перлита.

Ковкий

чугун.

Его получают отжигом белого

чугуна;

он имеет

графит (углерод отжига) в виде хлопьевидных включений

261

Рас. 180. Высокопрочный

чугун

с перлитной основой. X 200

Рис. 181. Ковкий

чугун.

Х200:

а — с ферритной основой (графитизированный); б — феррит и перлит в по-

верхностном слое и перлит в сердцевине (обезуглероженный)

262

(рис.

181, аи б). В зависимости от способа получения и структуры

различают графитизированный и обезуглероженный ковкий

чугун.

Графитизированный

чугун

имеет сравнительно однородную по

сечению отливки ферритную

структуру

металлической основы. Реже

его структура феррито-перлитная или перлитная (рис. 181, б).

Обезуглероженный

чугун

имеет перлитную или перлито-феррит-

ную основу, которая вследствие особенностей изготовления изме-

няется

от сердцевины к поверхности. В сердцевине отливки перлита

больше, а в поверхностных слоях меньше; ближе к поверхности

структура может быть даже ферритной. Таким же образом убывает

от сердцевины к поверхности и количество

углерода

отжига.

ЛАБОРАТОРНЫЕ

РАБОТЫ

Каждый

студент выполняет две задачи: по структуре стали

(№

164—174)

и по структуре

чугуна

(№

175—179).

Микроструктура

просматривается при увеличении в

200—300

раз. Следует:

1) выбрать (и обосновать) увеличение микроскопа для просмотра

структур применительно к данной лабораторной работе;

2) выбрать (и обосновать) реактив для травления шлифа;

3) зарисовать микроструктуры, рассмотренные в микроскоп;

4) характеризовать микроструктуру; описание должно содержать

не

только перечисление структурных составляющих, но и данные

форме выделения их, количественное соотношение

между

ними и

характер окрашивания после травления при наблюдении под микро-

скопом;

5) подробно ответить на вопросы в задаче.

№

164. Провести микроанализ образцов отожженной низкоугле-

родистой и среднеуглеродистой стали твердостью соответственно

НВ

120 и НВ 150.

Зарисовать наблюдаемую в микроскопе

структуру

и определить

примерное

содержание

углерода

в стали и количественное соотноше-

ние

структурных составляющих. Указать области применения рас-

смотренных сталей в промышленности.

№

165. Провести микроанализ образцов отожженной низкоугле-

родистой конструкционной стали и доэвтектоидной инструменталь-

ной.

Зарисовать наблюдаемую в микроскоп

структуру

и опреде-

лить примерное содержание

углерода

и количественное соотношение

присутствующих структурных составляющих.

Описать процессы превращений, протекающих в этих сталях при

медленном охлаждении, и указать температуры их критических точек.

№

166. Провести микроанализ образцов отожженной средне-

углеродистой и высокоуглеродистой (заэвтектоидной) стали.

Зарисовать наблюдаемую в микроскоп

структуру

и определить

примерное

содержание

углерода

в среднеуглеродистой стали и коли-

чественное соотношение присутствующих в ней фаз и структурных

составляющих. Указать свойства фаз и структурных составляющих

исследуемых сталей и возможные области применения их в промыш-

ленности.

26Z

№

167. Провести микроанализ

двух

образцов высокоуглероди-

стой стали с одинаковым содержанием

углерода,

но с разной формой

перлита и с твердостью соответственно НВ

160—170

и НВ

200—220.

Зарисовать

структуру,

описать структурные составляющие и

влияние

их строения на твердость стали.

Объяснить, в чем заключается процесс эвтектоидной кристалли-

зации

стали и условия получения различных форм перлита.

№

168. Провести микроанализ заэвтектоидной углеродистой

стали. Образец взят из кованой заготовки; ковка была проведена

с нарушением нормального режима; она была закончена при излишне

высокой

температуре

(1000°

С) и с недостаточным обжатием.

Характеризовать

структуру,

объяснить, какие изменения в ней

вызвало нарушение режима ковки и как эти изменения влияют на

свойства стали.

Рекомендовать режим термической обработки для исправления

обнаруженных недостатков структуры.

№

169. Провести микроанализ

двух

образцов углеродистой

стали, взятых из фасонной отливки; один образец был взят после

литья,

а второй после термической обработки отливки.

Характеризовать

структуру,

указать примерное содержание

углерода

(по

структуре

второго образца) и режим термической обра-

ботки,

проведенной после литья. Объяснить назначение этой терми-

ческой обработки и указать, в каком направлении она изменила

структуру

и механические свойства.

№

170. Провести микроанализ

двух

образцов углеродистой ото-

жженной стали с разным содержанием

углерода.

Один из образцов

имеет твердость НВ 120, а

другой

НВ

155—160.

Характеризовать

структуру,

определить примерное содержание

углерода

в каждой стали и указать ее механические свойства в отож-

женном

состоянии.

№

171. Провести микроанализ

двух

образцов углеродистой ото-

жженной стали с разным содержанием

углерода.

Один из образцов

имеет твердость НВ 130, а

другой

НВ 170.

Характеризовать

структуру

и определить примерное содержание

углерода

в каждой стали. Указать, какую сталь надо выбрать для

деталей машин (например,

зубчатых

колес) и некоторых инструмен-

тов (например, молотков и зубил).

М 172. Провести микроанализ и зарисовать

структуру

двух

образцов углеродистой отожженной стали с разным содержанием

углерода.

Один из образцов имеет твердость НВ 125, а

другой

НВ

165—170.

Характеризовать

структуру

и определить содержание

углерода

каждой стали.

Указать, какую сталь надо выбрать для валиков, которые (после

цементации

и термической обработки) должны иметь высокое сопро-

тивление износу, и работать в условиях динамических нагрузок.

№

173. Провести микроанализ

двух

образцов отожженной стали;

один

из них был подвергнут цементации для повышения содержания

углерода

в поверхностном слое.

261

Зарисовать наблюдаемую

структуру,

определить толщину слоя

имеющего более высокое содержание углерода по сравнению с сердце-

виной

образца, и определить содержание углерода в поверхностном

слое через каждую десятую долю миллиметра от поверхности к центру

содержание углерода в сердцевине.

Указать цели цементации и содержание углерода в стали, выби-

раемой для цементации.

№

174. Провести микроанализ заэвтектоидной отожженной

угле-

родистой стали и заэвтектического белого

чугуна.

Зарисовать структуры, характеризовать фазовое и структурное

состояние обоих сплавов и объяснить причины, вследствие которых

они

имеют различные механические свойства.

№

175. Провести микроанализ

двух

образцов

чугуна,

один из

которых имеет твердость НВ 150, а другой НВ 350.

Характеризовать структуру чугунов, указать условия получения

чугунов с этой структурой и примерные области применения каж-

дого.

М 176. Провести микроанализ образцов серого

чугуна,

один из

которых имеет твердость НВ 140, а другой НВ 220.

Характеризовать их структуру по форме выделения графита и по

металлической основе. Указать условия получения в

чугуне

струк-

туры, определенной микроанализом, и примерные механические

свойства, указываемые в ГОСТах, и область применения каждого из

этих чугунов в технике.

№

177. Провести микроанализ

двух

образцов

чугуна,

имеющих

одинаковую твердость: НВ

140—150,

но разную пластичность; отно-

сительное удлинение одного из чугунов

8—10%,

другого

не выше

0,5%.

Зарисовать и характеризовать структуры чугунов и объяснить,

почему при примерно одинаковой металлической основе и твердости

они

различаются по форме выделения углерода.

Указать, при какой форме выделения углерода (графита)

чугун

этих образцов более пластичен.

Привести

примеры применения в технике чугунов обоих струк-

турных классов.

№

178. Провести микроанализ

двух

образцов

чугуна;

один из

них имеет предел прочности при растяжении 20 кгс/мм

и относи-

тельное удлинение не выше 1%, а другой—предел прочности

50 кгс/мм

и относительное удлинение 4%.

Указать различие в форме выделения графита и способ получе-

ния

чугуна

с более высокими механическими свойствами.

№

179. Провести микроанализ

двух

образцов

чугуна;

оба

чугуна

имеют примерно одинаковые механические свойства {а

= 40 кгс/мм

б = З-г-4%), но разную форму выделения графита: хлопьевидную —

одном образце и шаровидную — в другом.

Указать способы получения

чугуна

обоих типов.

От поверхности до участков, в которых появляется структурно свободный фер-

рит.

265

ГЛАВА

XIII

ПРЕВРАЩЕНИЯ В

СТАЛИ

ПРИ НАГРЕВЕ.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР КРИТИЧЕСКИХ

ТОЧЕК

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ТЕМПЕРАТУР

КРИТИЧЕСКИХ

ТОЧЕК

Знание

критических точек необходимо не только для характери-

стики

превращений, но и для выполнения тепловой обработки и,

частности, установления режимов термической обработки (темпера-

тур нагрева для отжига, нормализации, закалки и высокого от-

пуска).

На

диаграмме железо—углерод (см. рис. 173) критическим точ-

кам

Лс

отвечает линия PSK, критической точке Ас

(для доэвтекто-

идной

стали) — линия GS.

Температуры закалки и отжига обычно на

20—40°

С выше Ас

для доэвтектоидной и на

50—70°

С выше Ас

для заэвтектоидной

стали.

Однако диаграмма железо—углерод характеризует состояние

чистых железоуглеродистых сплавов; промышленные сплавы содер-

жат, кроме того, марганец, кремний, фосфор и серу (а также в не-

больших количествах хром, никель и др.). В углеродистых сталях

влияние

этих примесей на положение критических точек не столь

значительно, что и позволяет с некоторым приближением определять

температуры термической обработки по диаграмме железо —

углерод.

При

увеличении содержания марганца (свыше

0,7—0,8%)

или

кремния

(свыше

0,5—0,6%)

или при введении

других

легирующих

элементов (никеля, хрома и др.) положение критических точек

значительно изменяется и определение их по диаграмме железо—

углерод

или по тройной диаграмме железо—углерод—легирующий

элемент для стали, содержащей несколько легирующих элементов,

становится невозможным.

Вследствие отсутствия диаграмм ряда многокомпонентных систем

для назначения режимов термической обработки необходимо экспери-

ментальное определение критических точек — областей превраще-

ний

. Для широко применяемых сталей критические точки опреде-

лены и указаны в технической литературе и справочниках. Однако

критические точки разных плавок

могут

несколько отличаться, осо-

бенно

для сложнолегированной стали при отклонениях в содержа-

нии

отдельных элементов от среднего состава.

Поэтому на заводах при установлении режима термической обра-

ботки легированной стали разных плавок предварительно опреде-

В тройном или многокомпонентном сплаве критическим точкам соответствует

интервал

температур превращения, положение которого зависит от состава сплава.

При значительной скорости нагрева положение критических точек может сме-

щаться

в сторону более высоких температур; смещение может достигать десятков гра-

дусов при очень быстром нагреве (например, токами высокой частоты),

266

0,025

ляют критические точки. Оно особенно необходимо для сталей нояых

составов и марок.

Для этой цели применяют методы: 1) пробных закалок; 2) дила-

тометрический; 3) дифференциальный термический

; 4) измерения

электросопротивления.

Дилатометрический и дифференциальный методы были рассмо-

трены в гл. IV и измерения электросопротивления — в гл. V.

Применение

этих методов обеспечивает высокую точность.

Метод пробных закалок является более простым, но менее точным;

он

заключается в следующем. Из исследуемой стали, взятой в состоя-

нии,

в котором она поставлена металлургическим заводом, изго-

тавливают образцы в виде шайб диаметром

15—20

мм и высотой 12—

15 мм. Один образец нагревают ниже предполагаемой темпера-

туры Ас

, быстро охлаждают в воде и измеряют его твердость; второй

образец нагревают на 10—

выше, также охлаждают 9W.

измеряют его твердость.

°\

Таким

же образом нагревают

до все более высокой темпе-

ратуры каждый следующий

образец. Предположим, что

требуется определить крити-

ческие точки Ас

и Ас

угле-

родистой стали с содержа-

нием

0,4% С; положение этой

стали на диаграмме железо—

углерод (без

учета

влияния

примесей) показано верти-

кальной

пунктирной линией

(рис.

182). Очевидно, что нагрев ниже точки Ас

, например до точки /

(нарис.

182), не может изменить структуру и повысить твердость; по-

следняя может даже несколько понизиться, если сталь была предва-

рительно недостаточно отпущена или отожжена.

Однако твердость возрастает, если сталь нагреть несколько выше

Ас

, например до температуры, соответствующей точке 2 (см.

рис.

182), а затем охладить в воде. Структура в этом случае изме-

нится;

сталь получит структуру феррит + аустенит. В результате

быстрого охлаждения сталь получит структуру феррит + мартен-

сит, так как аустенит при охлаждении превратится в мартенсит. Фер-

рит, сохранившийся при нагреве до точки 2, останется при охлажде-

нии

без структурных изменений. Образование более твердой состав-

ляющей мартенсита повышает твердость.

После

более высокого нагрева, например до точки 3 (см. рис. 182),

твердость еще больше увеличится. Поскольку с повышением темпе-

ратуры в интервале Ас

и Ас

количество аустенита возрастает,

0,006

0,25

0.5 0,75 0,8

Содертамие

С, %

Рис. 182. Стальной

угол

диаграммы

железо-

углерод

(область

превращений в

твердом

состоя-

нии)

Для определения критических точек методом термического анализа в условиях

быстрого нагрева или охлаждения применяют осциллограф (см. с. 97).

267

количество феррита уменьшается, то в закаленной стали

должно увеличиваться количество твердой составляющей — мар-

тенсита

Повышение

твердости должно продолжаться до тех пор, пока

не

будет

достигнута температура Ас

. Тогда сталь при нагреве полу-

чает полностью аустенитную

структуру,

а при охлаждении — струк-

туру

мартенсита. Очевидно, что дальнейшее повышение температуры

закалки

не изменит

структуру

стали и ее твердость в закаленном

состоянии

Результаты измерения твердости записывают в таблицу, по дан-

ным

которой строят диаграмму твердость — температура нагрева.

Вид такой кривой для доэвтектоидной стали показан на рис. 183;

температура начала повышения твердо-

сти отвечает точке Ас

а конца подъема

точке Ас

Кривые

для эвтектоидной и заэвте-

ктоидной

стали имеют иной ход; при

нагреве ниже Ас

эти стали, как и до-

эвтектоидные,

не изменяют

структуру,

„но

при нагреве выше точки Ас

эвтек-

еппература,С

тоидная сталь получает

структуру

ау-

Гия'критич^кихТоче^доэмеетовд! стенита, а заэвтектоидная — аустенит

НОЙ

ста™

по способу пробных за-

цементит. Поэтому после закалки эв-

тектоидная

сталь имеет

структуру

мар-

тенсита; заэвтектоидная — мартенсита и цементита; эти струк-

турные состояния определяют высокую твердость

(>#/?С

60).

Еще

более высокий нагрев мало изменяет твердость. Кривая твер-

дости на диаграмме имеет в связи с этим резкий перелом, соответ-

ствующий температуре Ас

Точность

способа пробных закалок зависит от величины интер-

вала температур нагрева каждого следующего образца. В промышлен-

ности

для определения температур закалки достаточно надежен на-

грев через каждые 10° С, причем до каждой температуры нагревают

два-три образца. Точность определения критических точек в этом

случае

составляет примерно ±5° С.

Такая

точность не является достаточной при изучении диаграмм

состояния

и для многих исследовательских работ. Вместе с тем метод

пробных

закалок не позволяет определить температуру и процесс

Нагрев в интервале

Ас

—Ас

изменяет состав аустенита доэвтектоидной стали,

следовательно, и состав мартенсита, образующегося при охлаждении; мартенсит,

полученный

закалкой с более низкой температуры в этом интервале, имеет большую

твердость. Но это изменение не очень значительно.

В закаленной стали (более 0,5% С) сохраняется небольшое количество оста-

гочного аустенита. Значительно более высокий нагрев — на

70—100°

С выше Ас

—

вызовет рост зерна аустенита, образование крупнокристаллического мартенсита и

сохранение в

структуре

закаленной стали большего количества остаточного аустенита;

эти

изменения мало влияют на твердость доэвтектоидной углеродистой и низколе-

гированной

стали; в более легированной стали, а также углеродистой заэвтектоидной

после закалки с высоких температур сохраняется повышенное количество аустенита,

вызывающее снижение твердости.

-68

растворения цементита (точки Аст в заэвтектоидной стали) и слож-

ных карбидов многих легированных сталей. Для определения пре-

вращения

этого типа необходимо применять более тонкие методы

исследования.

ЛАБОРАТОРНЫЕ

РАБОТЫ

В приводимых работах для сокращения числа однообразно повто-

ряемых операций, не дающих новых навыков, интервал температур

нагрева отдельных образцов принят сравнительно большим — около

30° С.

Образцы

могут

иметь форму шайб (например, диаметром 10—12 мм

высотой 15 мм), параллелепипедов и т. д. Для

удобства

работы

образцы, выбираемые для выполнения одной задачи, должны отли-

чаться по форме и размерам от образцов, предназначенных для вы-

полнения

другой

задачи. Все образцы клеймят.

Перед загрузкой в печь измеряют твердость

одного-двух

образ-

цов

по Роквеллу шариком при нагрузке 100 кгс (шкала HRB).

Полученные значения переводят на шкалу НВ.

Для сокращения времени на нагрев рекомендуется все образцы,

которые по условиям задачи надо нагреть до различных повышаю-

щихся температур, заложить в одну печь, нагретую до наибо-

лее низкой температуры, указанной в задаче. Выдержка при этой

температуре 5—10 мин, после того как цвет каления образца сов-

падает с накалом стенок печи. Затем вынимают из печи один из

нагревшихся образцов и немедленно переносят в бак с водой,

уста-

новленный

у печи. Образцы надо энергично перемешивать в те-

чение 2—3 с в воде, для того чтобы сбить паровую рубашку, обра-

зующуюся на поверхности и замедляющую охлаждение. Затем повы-

шают температуру печи до следующей температуры, указанной в за-

даче, выдерживают для прогрева в течение 3—5 мин (так как они

полностью прогрелись при более низкой температуре) и в таком же

порядке закаливают следующий образец. После этого вновь повы-

шают температуру печи и повторяют операции до закалки послед-

него образца, нагреваемого до наиболее высокой температуры.

Закалку образцов с пяти различных температур можно выпол-

нить

в этом

случае

в течение часа. Вместе с тем достигается большая

точность работы, так как образцы для одной задачи нагреваются в од-

ной

печи, а температуры нагрева контролируют одним и тем же

прибором.

В одну печь можно укладывать образцы для

двух-трех

задач, если они нагреваются до одинаковых температур. Образцы для

каждой задачи должны иметь разные размеры и форму.

При

укладке образцов в печь необходимо учитывать, что темпе-

ратуры вблизи дверцы печи

могут

быть ниже температуры, показы-

ваемой -гальванометром, вследствие подсоса холодного

воздуха.

Поэтому образцы надо располагать на середине печи, ближе к горя-

чему спаю термопары.

Перед измерением твердости образцы осторожно зачищают на

абразивном круге для снятия окалины и обезуглероженного слоя.

269

Твердость измеряют

по

Роквеллу

результаты измерений перево-

дят

на

шкалу

ИВ (для

характеристики измерений

одной шкале).

Затем строят диаграмму твердость—температура нагрева

и по ней-

определяют критические точки.

После

этого просматривают шлиф

при

увеличении

в 400—500

раз

зарисовывают микроструктуру.

Отчет

работе должен содержать:

а) характеристику стали

исходном состоянии (твердость, микро-

структуру);

б) таблицу температур нагрева

полученных значений твердости;

в) диаграмму твердость—температура закалки;

г) описание превращений, вызвавших изменение твердости,

с за-

рисовкой

микроструктур;

д) ответы

на

вопросы, поставленные

задаче,

оценкой точности

полученных результатов

на

основании сравнения

имеющимися

литературными данными

анализа диаграммы железо—углерод.

180.

Определить способом пробных закалок критические точки

Ас

и Ас

конструкционной среднеуглеродистой стали плавки

Образцы нагревать

до 710, 740, 770, 800, 830° С. По

положению

критических точек определить примерный химический состав стали

(по

диаграмме железо -—

углерод)

температуру

ее

закалки.

Л*

181.

Определить способом пробных закалок критические

точки

Ас

конструкционной углеродистой стали плавки

Образцы нагревать

до 700, 730, 760, 790, 820° С. По

положению

критических точек определить примерный химический состав

ста-

ли

(по диаграмме железо—

углерод)

температуру

ее

нормализации.

№

182.

Определить способом пробных закалок критические

точки

Ас

и Ас

конструкционной углеродистой стали плавки

III.

Образцы нагревать

до 690, 720, 750, 780, 810° С.

По

положению критических точек определить химический состав

стали

(по

диаграмме железо—углерод)

температуру

ее

нормали-

зации.

№

183 *.

Определить способом пробных закалок критические

точки

Ас

и Ас

легированной марганцовистой стали

45Г2.

Образцы нагревать

до 690, 710, 730, 750, 770, 790° С.

Сравнить

критические точки марганцовистой стали

45Г2

(по

результатам опыта)

критическими точками углеродистой стали

(по

диаграмме железо—углерод).

№

184 *.

Определить способом пробных закалок критические

точки

Ас

и Ас

легированной марганцовистой стали

45Г2.

Нагрев проводить

до 700, 730, 760, 790, 800° С.

Сравнить

критические точки марганцовистой стали

45Г2

(по

результатам опыта)

критическими точками углеродистой стали

(по

диаграмме железо—углерод).

№

185*.

Определить способом пробных закалок критические точки

Ас

и Ас

легированной хромокремнемарганцовистой стали 35ХГС.

Для

выполнения задач можно применять

другие легированные стали, имею-

щие

более низкие

или,

наоборот, высокие температуры критических точек.

270