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

Подождите немного. Документ загружается.

Образцы нагревать до 720, 750, 780, 810, 840, 870,

900°

С.

Сравнить

критические точки стали

35ХГС

(по результатам опыта)

с критическими точками углеродистой стали, имеющей такое же

содержание

углерода.

М 186 *. Определить способом пробных закалок критические

точки Ас

и Ас

легированной хромокремнемарганцовистой стали

35ХГС.

Образцы нагревать до 730, 770, 800, 830, 860,

890°

С.

Сравнить

критические точки стали

35ХГС

(по результатам опыта)

с критическими точками марганцовистой стали

45Г2

(по данным

задач № 190 и 191).

№

187. Различные по составу стали необходимо закаливать

с разных температур.

Закалить

образцы из стали 45 и из стали У12 с 700, 770 и

830*

С.

Объяснить, почему образцы из стали 45 при нагреве до

770

получают более низкую твердость, чем образцы из стали У12, и

указать различие в

структуре

этих сталей после закалки.

М 188. Различные по составу стали нагревают при закалке до

разных температур.

Закалить

образцы из стали 50 и У8 с нагревом до 710, 780 и

850*

С.

Объяснить, почему образцы из стали 50 при нагреве до

770

получают более низкую твердость, чем образцы из стали У8.

ГЛАВА XIV

СТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

В НЕРАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

(В РЕЗУЛЬТАТЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ)

1. СТРУКТУРА ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ

Структура закаленной стали зависит от ее химического состава

условий закалки (температуры нагрева и режима охлаждения).

Закалка

стали с очень низким содержанием

углерода

(до

0,025—

0,03%)

с нагревом лишь немного выше линии PQ задерживает вы-

деление третичного цементита по границам зерен. Основная струк-

тура

— феррит — не изменяет строения. Такая закалка повышает

пластичность и почти не изменяет прочностных характеристик.

Однако последующее строение, возникающее при нагреве

300—400°

или

при холодной деформации, способствует выделению частиц

третичного цементита и вновь снижает пластичность

Закалка

низкоуглеродистой стали с

0,08—0,15%

С (с нагревом

выше Ас

и охлаждением в воде) несколько повышает твердость и

прочность;

структура

такой стали — мартенсит и сохранившийся

феррит (рис. 184).

* Для выполнения задач можно применять и другие легированные стали, имею-

щие

более низкие или, наоборот, высокие температуры критических точек.

Рис. 184. Структура закаленной низкоуглеродистой стали (0,2% С).

Мартенсит и участки феррита.

Х200

Рис. 185. Структура закаленной среднеуглеродистоЛ стали (0,5% С):

— закалка с

830°

С без перегрева, кристаллы мартенсита мелкие и плохо

различимы;

б — закалка с

925°

С (перегрев), кристаллы мартенсита более

крупные,

X 500

ШШШ

272

Значительнее влияние закалки стали с большим содержанием

углерода

(0,15—0,25%). Ее предел текучести возрастает на

30—50%;

твердость повышается с НВ

110—130

до НВ

140—150.

Резкое

изменение свойств в

результате

закалки достигается у уг-

леродистой стали, содержащей более

0,25—0,30%

С.

Доэвтектоидная

сталь,

имеющая более

0,25—0,3%

С, получает

структуру

мартенсита

. В микроскопе кристаллы мартенсита имеют

характерную форму игл (пластин). Если нагрев для закалки не был

очень высоким (не более чем на

30—70°

С выше Ас

), то он не вызы

вает значительного роста зерна аустенита; поэтому кристаллы мар

4-у

. ...

SB?

Рис.

186.

Доэвтектоидная сталь

(0,5% С) в

закаленном состоянии. Зерно

аустенита, определенное методом окисления (границы зерен окислились

при

нагреве полированного шлифа

открытой печи):

—

нагрев

до 820° С; б —

нагрев

до 925" С. X 100

тенсита, образующиеся при охлаждении в пределах зерна аусте-

нита,

имеют небольшие размеры. Они трудно различимы в микроскоп

(рис.

185) при небольших и средних увеличениях (в

200—600

раз).

Повышение

температуры закалки на

100—150°

С выше Ас

вы-

зывает заметный рост зерна аустенита (рис. 186) и образующихся

при

охлаждении кристаллов мартенсита (см. рис. 185). Такой на-

грев снижает пластичность стали (как непосредственно после закалки,

так

и после отпуска) и на практике не применяется.

Закалку

заэвтектоидной

стали проводят с нагревом в двухфаз-

ную область (аустенит -f вторичный цементит) на

50—80°

С выше Ас

Сталь получает

структуру

(рис. 187), состоящую из мартенсита,

зерен вторичного цементита (не растворившегося при нагреве) и

остаточного аустенита. Кристаллы (иглы) мартенсита имеют очень

небольшие размеры. Температура окончания мартенситного пре-

вращения

стали с повышенным содержанием

углерода

снижается

ниже

—50°

С. Количество остаточного аустенита не превышает

5—10% и еще не обнаруживается микроанализом.

В углеродистой стали, содержащей более

0,5—0,6%

С, мартенситное превраще-

ние

не заканчивается полностью при охлаждении до комнатной температуры и сталь

сохраняет некоторое количество остаточного аустенита. В доэвтектоидной стали с

0,5—•

0,6% С его количество незначительно (2—3%).

273

Рис. 187. Заэвтектоидная сталь (1,2% С) в закаленном со-

стоянии.

Закалка,

800°

С. Мартенсит и вторичный цементит.

Х500

Рис. 188. Сталь с 0,5% С после закалки с

840*

С в масле. Троостит закалки:

— в оптическом микроскопе, X 500; б — в электронном микроскопе, X

7000

274

Рис. 189. Сталь с 0,7% С. Сорбит закалки:

а —

Х200;

б — X 1000

600

Повышение

температуры закалки выше

Аст

вызывает растворе-

ние

вторичного цементита

способствует росту зерна. Такая сталь

имеет после закалки отчетливо видимые крупные кристаллы (иглы)

мартенсита

остаточный аустенит, количество которого возрастает

до

20—30%

(и

более).

Эти

структуры образуются

результате

быст-

рого охлаждения углеродистой стали

воде.

При

более медленном охлаждении, например

масле

или на воз-

духе,

не

удается задержать распад аустенита углеродистой стали

на

феррито-цементитную смесь. Однако процессы коагуляции

не

могут

протекать полностью,

как

при

еще

более медленном

охлаждении вместе

с пе-

чью. Поэтому образую-

щиеся

продукты превра-

щения

—

троостит и сорбит

закалки

—

отличаются

от

равновесной

структуры—

перлита

—

более диспер-

сным

строением: пластин-

ки

феррита

цементита

расстояние

между

ними

меньше по сравнению

с на-

блюдаемым

для

перлита.

Аналогичные

структу-

ры образуются также

более крупных образцах

Продукты

превращения

аустенита

Перлит

Сорбит

Троостит

Игольчатый

троостит

Партенсит

0,1

(деталях)

из

углеродистой

100 1000 10000

Время,

СТаЛИ,

ОХЛаЖДаеМЫХ

В ВО-

рис Igo

Диаграмма

изотермического

превращения

Де,

НО На

НеКОТОрОМ

рас-

переохлажденного аустенита углеродистой стали

стоянии

от

поверхности

5% с>

вследствие меньшей скоро-

сти охлаждения

этих участках (см.

гл.

XVII

прокаливаемости стали).

Сорбит

троостит закалки имеют пластинчатое строение

отли-

чаются этим

от

сорбита

троостита отпуска, имеющих зернистое

строение цементита.

Строение троостита почти

не

выявляется

под

микроскопом ввиду

значительной измельченности частиц цементита

феррита.

При из-

готовлении микрошлифа троостит

как

очень дисперсная двухфазная

структура

имеет повышенную травимость

по

сравнению

другими

структурами. Поэтому троостит выявляется

виде темных образо-

ваний

(рис. 188, а).

Исследование

электронном микроскопе

отчетливо установило пластинчатое строение троостита закалки

(рис.

188, б).

Сорбит закалки

оптическом микроскопе выявляется отчетли-

вее

(рис. 189), чем

троостит закалки.

Троостит

сорбит

отличие

от

перлита

не

имеют постоянного

состава; содержание

углерода

зависимости

от

состава исходного

аустенита

температура

его

превращения

могут

изменяться

в зна-

чительных пределах. Поэтому

доэвтектоидной стали, содержащей

275

более

0,35—0,40%

С и получившей в

результате

термической обра-

ботки структуры троостита или сорбита, не наблюдается участков

с отдельными зернами структурно изолированного феррита.

Структура, получаемая в стали при распаде переохлажденного

аустенита при температурах ниже критической точки в изотерми-

ческих условиях, характеризуется диаграммой изотермического пре-

вращения

(рис. 190). По этой диаграмме (называемой С-образной)

можно определить примерную

структуру,

получаемую при

охла-

ждении с разной скоростью.

СТРУКТУРА

СТАЛИ

ПОСЛЕ

ОТПУСКА

Низкий

отпуск закаленной стали (с нагревом до

200—250°

С)

не

вызывает заметных изменений в структуре, наблюдаемой в микро-

скопе.

Происходящее при низком отпуске резкое уменьшение кон-

it ш

Рис. 191. Структура отпущенной стали (0,6% С),

Х500:

а — мартенсит отпуска; 6 — троостит; в — сорбит

центрации

углерода

в мартенсите, вызывающее уменьшение тетра-

гональности его решетки и выделение мельчайших частиц карбида

(цементита),

наблюдается только рентгеноструктурным анализом.

Микрошлифы

после низкого отпуска обладают лишь более интенсив-

ной

травимостью и кристаллы (иглы) мартенсита отпущенной стали

кажутся более темными, чем в закаленной стали, не подвергавшейся

отпуску (рис. 191, а).

27')

Отпуск с более высоким нагревом

(350—400°

С), усиливая про-

цессы диффузии и коагуляции, вызывает распад мартенсита и обра-

зование троостита; отпуск

400—500°

С вызывает образование троосто-

сорбита, а отпуск

500—600°

С — образование сорбита

Кристаллики

карбидов в троостите и сорбите отпуска имеют зер-

нистую форму.

Строение троостита отпуска (рис. 191, б), как и троостита за-

калки,

вследствие значительной дисперсности образовавшихся ча-

стиц феррита и цементита плохо выявляется при микроанализе;

троостит наблюдается в виде сильно травящихся темных образова-

ний.

Сорбит отпуска выявляется отчетливее (рис. 191, е).

Более высокий отпуск (с нагревом от

650°

С до Ас{) приближает

структуру

к равновесной; образуется перлит и обособляется избы-

точный феррит (в доэвтектоидной стали). Перлит приобретаег все

менее дисперсное строение, похожее на строение зернистого перлита

отожженной стали.

3. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторные работы предусматривают просмотр типичных струк-

тур стали в закаленном и отпущенном состояниях. Шлифы для микро-

анализа должны быть приготовлены лабораторией. Их просматри-

вают при увеличении в

500—600

раз. Каждый

студент

выполняет

одну из приводимых задач. Для ее выполнения необходимо:

а) просмотреть и зарисовать

структуру,

видимую в микроскопе;

б) характеризовать

структуру

и ее фазовый состав;

в) ответить на последний вопрос задачи об условиях термической

обработки (или свойствах стали в неравновесном состоянии).

№

189. Провести микроанализ и зарисовать

структуру

двух

об-

разцов углеродистой конструкционной стали твердостью НВ 150

(отожженная сталь) и HRC 60.

Характеризовать микроструктуру стали каждого из образцов,

определить содержание

углерода

и указать область применения этой

стали в промышленности.

Привести

режим термической обработки, обеспечивающий полу-

чение твердости HRC 60, и объяснить, является ли этот вид терми-

ческой обработки окончательным или

следует

рекомендовать допол-

нительную термическую обработку (и какую именно).

№

190. Провести микроанализ и зарисовать

структуру

двух

образцов углеродистой стали 45. Первый образец имеет твердость

HRC 50, второй HRC 30.

Характеризовать микроструктуру стали этих образцов, реко-

мендовать режим термической обработки для получения соответ-

ствующих микроструктуры и твердости и указать, в каких примерно

В стали, закаленной с высоких температур и получившей мартенсит крупно-

игольчатого строения, троостит и сорбит отпуска

могут

сохранять игольчатую ориен-

тировку.

277

сечениях детали (цилиндрического образца) стали 45 можно полу-

чить такую

структуру.

М 191. Провести микроанализ и зарисовать

структуру

двух

образцов углеродистой стали одного и того же химического состава;

первый образец имеет твердость HRC 30 и второй образец НВ 150

(отожженное состояние).

Характеризовать микроструктуру стали этих образцов, указать

примерный

химический состав, рекомендовать режим термической

обработки для получения твердости

HRC30,

привести механические

свойства, соответствующие этой твердости, и назначение такой

стали в промышленности.

№

192. Провести микроанализ

двух

образцов среднеуглеродистой

стали (0,5%С) после закалки с нагревом одного образца до

820°

С;

другого

— до

920°

С.

Зарисовать микроструктуру и объяснить, в каком образце сталь

обладает большей хрупкостью. Рекомендовать режим закалки для

стали с 0,5%С и температуру последующего отпуска, если из этой

стали изготавливают валы.

№

193. Провести микроанализа

двух

образцов закаленной до-

эвтектоидной углеродистой стали с 0,4% С, нагретых при закалке

соответственно до 770 и до

830°

С.

Зарисовать микроструктуру, характеризовать наблюдаемые

структурные составляющие и указать на основании диаграммы же-

лезо—углерод, в чем заключается различие в

структуре

обоих об-

разцов.

Объяснить, у какого образца твердость больше.

№

194. Провести микроанализ образцов диаметром 25 мм из

углеродистой стали после закалки с охлаждением в воде и легирован-

ной

стали (например, хромоникелевой или хромомарганцевой или

хромомарганцевокремнистой) с одинаковым содержанием

углерода

после закалки с охлаждением в масле. Определить изменение микро-

структуры и измерить твердость по сечению образцов *.

Указать, в какой из исследованных сталей закалка значительнее

изменила

свойства по сечению образца.

Л* 195. Провести микроанализ и измерить твердость

двух

об-

разцов углеродистой и

двух

образцов легированной стали с одина-

ковым

содержанием

углерода,

закаленных в воде и закаленных

масле.

Рекомендовать условия охлаждения при закалке углеродистой и

легированной стали и объяснить причины, позволяющие

охлаждать

при

закалке легированную сталь в масле.

№

196. Провести микроанализ

двух

образцов закаленной

угле-

родистой стали с

0,8—0,9%С;

один из образцов после закалки был

отпущен при

200°

С.

Зарисовать микроструктуру и объяснить, в чем заключается раз-

личие в

структуре

закаленной и низкоотпущенной стали.

* Образцы диаметром 25 мм и высотой 50 мм после закалки разрезаны по поло-

вине

высоты абразивным кругом.

278

Объяснить назначение низкого отпуска этой стали и указать

область ее применения в технике.

№

197. Провести микроанализ и зарисовать

структуру

двух

образцов (шлифов) углеродистой стали 65, имеющей твердость в од-

ном

образце НВ 170, в

другом

HRC 64.

Характеризовать

структуру

стали каждого из образцов, реко-

мендовать режим термической обработки для получения твердости

HRC 45—48; указать свойства, которые имеет сталь 65 при твердости

около

HRC45,

и назначение такой обработки в промышленности.

ГЛАВА

ТЕРМИЧЕСКАЯ

ОБРАБОТКА

КОНСТРУКЦИОННЫХ

СТАЛЕЙ

Получение неравновесной структуры в результате термической

обработки значительно изменяет многие свойства и особенно

меха-

нические.

В лабораторных работах предусмотрено изучение влия-

ния

термической обработки на прочность и вязкость, значения ко-

торых во многом определяют поведение деталей в эксплуатации.

ЛАБОРАТОРНЫЕ

РАБОТЫ

ПО

ЗАКАЛКЕ

ОТПУСКУ

СТАЛИ

Влияние

термической обработки на механические свойства можно

изучать на стандартных образцах, испытываемых на растяжение, и

на

ударных образцах с надрезом, испытываемых на копре (см. гл. VI

рис. 91).

Для выполнения большинства приведенных лабораторных работ

удобно применять простые по форме и изготовлению ударные образцы.

При

выполнении работ по более широкой программе испытания про-

водят и на растяжение.

Образцы рекомендуется изготавливать из конструкционной

угле-

родистой стали с

0,4—0,5%С

или легированной с

0,30—0,50%С.

Вли-

яние

закалки и отпуска на механические свойства таких сталей

особенно

значительно. После закалки они получают высокую твер-

дость и низкую

ударную

вязкость, а после отпуска

500—650°

С —

высокую—вязкость.

В готовых деталях большого сечения механические свойства мо-

гут быть ниже, если сталь, выбранная для испытаний, не обладает

значительной

прокаливаемостью.

Лабораторные работы распределены на отдельные индивидуаль-

ные

задания, в которых указан один режим закалки или отпуска.

Каждый

студент выполняет одно задание по закалке и одно по от-

пуску. Отчет о работе представляется на основании суммирования:

а) результатов, полученных при выполнении индивидуального за-

дания;

б) результатов, полученных другими студентами, которые вы-

полняли

задания по той же лабораторной работе. Таким образом,

отчете каждого студента должны быть:

279

1) диаграмма, показывающая изменение механических свойств,

том числе и твердости, в зависимости от изменения температуры

закалки

и условий охлаждения (для работы по закалке стали) или

от изменения температуры отпуска (для работы по отпуску стали);

2) описание изменений, происходящих (в зависимости от тех же

факторов) в

структуре

и изломе стали;

3) ответы на дополнительные вопросы.

Работа выполняется в следующей последовательности:

а) на одном или

двух

образцах (из выделенных для выполнения

всей задачи) измеряют твердость в исходном состоянии; измерения

•p:

Ш:Ш::Л

;

тш

III

нНГ

Рис. 192. Излом углеродистой стали (0,5% С) в зависимости от термической обработки .ХЗ:

а — отожженная; б — закаленная; в — закаленная и отпущенная при

450°

С; г — закаленная

отпущенная при

550°

выполняются по Роквеллу шариком (по шкале В); полученный ре-

зультат

пересчитывается на числа Бринелля;

б) образцы нагревают в печи

в том же порядке, как было ука-

зано

(с. 267); охлаждение при закалке выполняют по режиму, приве-

денному в каждой индивидуальной задаче, а охлаждение при от-

пуске — на

воздухе;

в) после охлаждения слегка зачищают образцы абразивной бу-

магой (до получения металлического блеска);

г) измеряют твердость по Роквеллу (шкала С); полученные зна-

чения

пересчитывают на числа Бринелля; измерять

следует

на уча-

стке образца, прилегающем к торцу (а не на участке, близком к над-

резу);

д) испытания ударных образцов выполняют на копре и опреде-

ляют значения вязкости, как указано в гл. VI;

е) изучают вид излома.

Определение вида, формы и цвета излома позволяет характери-

зовать многие особенности строения и обработки металла (см.

гл.II).

На

рис. 192 приведены типичные виды излома стали.

Отожженная

доэвтектоидная углеродистая сталь с крупными

выделениями избыточного феррита имеет крупнозернистый излом

Для защиты от окисления

лучше

нагревать образцы для закалки в расплавлен-

ной

соли. Для отпуска образцы можно нагревать в печи, поскольку температура от-

пуска не превышает

650°

С. При нагреве в печи целесообразно в месте надреза плотно

закладывать асбест.

280