Влияние термической обработки на структуру и свойства углеродистой стали 40

Цель работы:

1. Научиться определять оптимальную температуру нагрева сталей под закалку

2. Изучить влияние на структуру и твердость стали:

2.1. температуры нагрева под закалку;

2.2. температуры отпуска.

Основы термической обработки

Термическая обработка – это технологический процесс, состоящий из нагрева стали до определенной температуры, выдержка при этой температуре определенное время и охлаждения при заданной скорости с целью изменения структуры и свойств.

Любой процесс термообработки может быть описан графиком в координатах температура-время и включает нагрев, выдержку и охлаждение. При термообработке протекают фазовые превращения, которые определяют вид термической обработки.

Температура нагрева стали зависит от положения ее критических точек и выбирается по диаграмме состояния Fe – Fe₃С в зависимости от вида термической обработки (рис. 1). Критические точки (температуры фазовых превращений) определяют: линия PSK – точку А₁, GS – точку А₃ и SE – точку А_сm. Нижняя критическая точка А1 соответствует превращению А в П при 727^ОС. Верхняя критическая точка соответствует началу выделения феррита из аустенита (при охлаждении) или концу растворения феррита в аустените (при нагреве). Температура линии SE, соответствующая началу выделения вторичного цементита из аустенита, обозначается А_сm.

промывают водой, этиловым спиртом и просушивают фильтровальной бумагой.

4. Травление. После изучения нетравлен­ных шлифов производят их трав­ление, которое заключается во взаимодействии поверхности миккрошлифов с химически активными растворами кислот, щело­чей, солей в спирте или воде. Сущность травления состоит в неодинаковой растворимости, а иногда и окрашивании реакти­вом зерен, границ между ними, вследствие различия в их стро­ении или химическом составе. При травлении реактив в пер­вую очередь воздействует па гра­ницы зерен, эти места имеют на­иболее дефектное строение и в травленном шлифе становятся углублениями.

Свет, попадая на них, будет рассеиваться и в поле зрения микроскопа они будут казаться темными, а тело зерна — светлым.

Рис. 2 Приготовление микрошлифа: а – шлифованная поверхность; б – полированная поверхность; в – травленая поверхность (однородная структура); г - травленая поверхность (неоднородная структура).

Благодаря различной кристаллографической ориентиров­ке зерен металла на поверхности микрошлифа травимость да­же однородных зерен будет неодинаковой. Это приводит к образованию микрорельефа на поверхности шлифа, участки которого в различной степени рассеивают световые лучи.

В сплаве с неоднородной структурой травимостъ зерен различ­ной природы отличается еще сильнее (рис. 2,г). Травление сталей и чугунов проводят 2 — 4%-ным раствором НNО₃ в этиловом спирте. Реактив наносят на поверхность микрошлифа капельницей или ватным тампоном, смоченным реак­тивом.

Устройство металлографического микроскопа

В настоящее время применяют металлографические мик­роскопы, работающие на принципе отраженного света от полированной поверхности микрошлифа. Металлографический исследовательский микроскоп МИМ-7 обеспечивает увеличе­ние от 60 до 1440 раз. Микроскоп состоит из механической и оптической систем и осветительного устройства.

Оптическая система (рис. 3) микроскопа включает объ­ектив, окуляр и ряд вспомогательных оптических элементов: зеркала, призмы, диафрагмы и т. п.

Рис.3 Схема оптической системы микроскопа МИМ-7.

Маркировка чугуна

Маркировка серого чугуна определена ГОСТ 1412–85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки». Согласно стандарта, такой чугун маркируется буквами «СЧ» и двумя цифрами, которые показывают минимально допустимое временное сопротивление чугуна в кгс/мм²(0,1*Н/мм²).Например, обозначение чугуна СЧ 30 означает, что он относится к серым чугунам с пластинчатым графитом и его=300 Н/мм²(30 кгс/мм²). Всего стандартом предусмотрен следующий ряд марок чугунов – от СЧ 10 до СЧ 35.

Высокопрочный чугун маркируют в соответствии с ГОСТ 7293–85 «Чугун с шаровидным графитом для отливок. Марки». Марку высокопрочного чугуна обозначают буквами «ВЧ» и двумя цифрами, которые показывают его минимальное временное сопротивление в кгс/мм².Например, маркировка ВЧ 50 означает, что этот чугун является высокопрочным и его=500 Н/мм²(50 кгс/мм²).

Марки ковкого чугуна определены в ГОСТ 1215–79 «Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия». Он обозначается буквами «КЧ» и двумя группами цифр, которые определяют минимальное временное сопротивление в кгс/мм²и относительное удлинение при растяжении в процентах – КЧ–b.Например, КЧ 37–12 означает, что эта марка ковкого чугуна с=370 Н/мм²(37 кгс/мм²) и относительным удлинением 12 %.

П+Ц+Гр

П+Гр

Рис. 6 График отжига белого чугуна

Под действием модификаторов графит в процессе кристаллизации принимает шаровидную форму. Такой графит, называемый глобулярным, значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна, чем графит крабовидный.

Особенности образования графитных включений шаро­видной формы (при эвтектической кристаллизации, аустенит, отлагаясь в виде оболочек на сферолитах графита, изолиру­ет их от жидкой фазы) обеспечивают малую скорость их роста при непрерывном зарождении новых центров кристаллизации. Поэтому модифицированный магнием чугун содержит большое количество мелких включений графита.

Высокопрочные чугуны по микроструктуре металлической основы подразделяют па ферритный, перлитный и феррито - перлитный (рис. 7, а, б).

а) б)

Рис. 7 Высокопрочный чугун

Светлые лучи от электрической лампы 1 проходят через коллектор 2 и, отразившись от зеркала 3, попадают на светофильтр 4, затем на диафрагму 5 (для ограничения световых пучков и получения высокой четкости изображения), линзу 6, фотозатвор 8, полевую диафрагму 9 (для ограничения освещенного поля рассматриваемого участка на микрошлифе), преломляются пентапризмой 10, проходят через линзу 11, попадают на микрошлиф 12, установленный на предметном столике. Отразившись от микрошлифа 12, лучи вновь проходят через объектив 13 и выходя из него параллельным пучком, попадают на отраженную пластинку 14 и ахроматическую линзу 16. При визуальном наблюдении в ход лучей вводится зеркало 17, которое отклоняет лучи в сторону окуляра. При фотографировании зеркало 17 выключается выдвижением тубуса вместе с окуляром и зеркалом, и лучи направляются непосредственно к фотоокуляру 19, проходят через него на зеркало 20, от которого отражаются и попадают на матовое стекло 21, где и дают изображение. Для фиксирования микроструктуры матовое стекло 21 заменяется кассетой с фотопластинкой. Для наблюдения в поляризованном свете в систему включаются вкладной анализатор 15 и поляризатор 7.

Применение различных; объективов и окуляров позволяет регулировать увеличение микроскопа. Объектив называют сухим, если между поверхностью микрошлифа и объекти­вом находится воздушная среда, если жидкая (обычно кед­ровое масло)—иммерсионным. Увеличение микроскопа опре­деляется как произведение увеличений объектива и окуляра. Увеличение объектива и окуляра указано на их оправках, а увеличение объектива выносится дополнительно на рукоятку макрометрического пинта.

При работе с микроскопами исследуемый шлиф помеща­ют на предметный столик. Грубая фокусировка производит­ся подниманием или опусканием столика микровинтом, точная вращением микровинта.

Во избежание порчи микрошлифа не рекомендуется пе­редвигать его по поверхности столика, а следует пользоваться специальными винтами, перемещающими столик с установ­ленным па нем микрошлифом в продольном и поперечном направлениях.

Характеристики микроскопа

Разрешающая способность микроскопа d —минималь­ное расстояние, при котором две точки различаются раздель­но, не сливаясь в одно пятно. Объекты, размерами менее раз­решающей способности микроскопа, при исследованиях не обнаруживаются. Разрешающая способность микроскопа оп­ределяется по формуле

,

где  - длина волны света (для белого света 0,6 мкм);

n - коэффициент преломления среды между объективом и предметом;

 - отверстный угол объектива.

В современных микроскопах угол объектива близок к 90°, показатель преломления воздуха n= 1, т. е, разрешаю­щая способность микроскопа равняется длине световой вол­ны белого света и составляет 0,6 мкм. Для кедрового масла n = 1,5, отсюда d=0,4 мкм. При использовании оптическо­го микроскопа минимальный размер видимого объекта со­ставляет 0,4 мкм. При использовании поляризованного света, разрешающая способность оптического микроскопа достигает 0,2 мкм.

Суммарное увеличение микроскопа – произведение увеличения линз объектива и окуляра.

Исследование микрошлифов

Изучение микроструктуры начинается с анализа нетравленных микрошлифов для выявления на них пороков (пор, раковин, неметаллических включений), которые обладают меньшей отражательной способностью по сравнению с ме­таллом и имеют поэтому при просматривании темную окрас­ку. Все нарушения сплошности металла уменьшают «живое», рабочее сечение детали и являются концентраторами напря­жений. Чем крупнее включения, тем значительнее их вредное влияние, осколочная, остроугольная форма их в большей сте­пени концентрирует напряжения, чем округлая. Все это при­водит к снижению механических характеристик, особенно пластичности и вязкости.

Ковкий чугун. Ковкий чугун получают путем отжига отливок из белого чугуна. Процесс отжига основан на том, что вместо неустойчивого цементита белого чугуна при по­вышенных температурах образуется графит. Образование графита происходит не только при прямом разложении це­ментита. Графитизация идет также путем растворения це­ментита в аустените и одновременного выделения из аустенита более стабильного графита.

Образующийся графит приобретает компактную, почти равноосную хлопьевидную форму с рваными краями. Сте­пень графитизации зависит от температуры отжига белого чугуна, его состава, времени выдержки и других факторов.

В зависимости от полноты графитизации могут образовываться те же пяти основных типа структур, что и в сером:

— ковкий ферритный чугун (рис. 5,а);

— серый перлитный чугун ((рис. 5,б);

— серый ферритно-перлитный чугун (рис. 5,в).

а) б) в)

Рис. 5 Ковкий чугун

Белый чугун, отжигаемый на ковкий, имеет состав: 2,5-3,0% С; 0,8-1,5% Si, 10% Mn, до 0,2% S и до 0,18% Р.

Примерный график отжига белого чугуна представлен на рис. 6.

Высокопрочный чугун. Высокопрочный чугун получают путем модифицирования жидкого расплава щелочными или, щелочноземельными металлами. Чаще для этого применяют магний в количестве 0,03—0,07%. По содержанию остальных элементов высокопрочный чугун не отличается от серого.

- эвтектический (содержание углерода 4,3%), состоит из одной структур­ной составляющей—ледебурита превращенного;

- заэвтектический (со­держание 4,3 – 6,67%), содержит де структурные составляющие – цементит первичный и ледебурит превращенный. Кристаллы цементита первичного имеют форму плоских дендритов.

Рис. 4 Белый чугун

Серый чугун. Микроструктурный анализ серых чугунов проводят, используя стабильную диаграмму состояния системы железо — углерод (с пунктирными линиями).

Серые чугуны подразделяют по микроструктуре металлической основы. В зависимости от полноты графитизации может быть:

— серый ферритный чугун (графитизация прошла полностью) (рис. 4,а);

— серый перлитный чугун (эвтектоидный распад пита прошел в соответствии не со стабильной, а метастабильной диаграммой) (рис. 4,б);

— серый ферритно-перлитный чугун (аустенит при эвтектоидной реакции частично распадается с образованном графита, а частично—с образованием перлита) (рис. 4,в).

а) б) в)

Рис. 5 Серый чугун

Характер расположения и количество неметаллических включений оценивается в соответствии с ГОСТ 1778-70 по пя­тибалльной шкале.

На нетравленных микрошлифах сталей, полученных про­каткой, в результате горячей обработки давлением, хрупкие оксиды разрушаются и приобретают вид изолированных ок­руглых включений (рис. 4, а). Более пластичные сульфиды вытягивают­ся в направлении течения металла и имеют продолговатую форму (рис. 4, б). На микрошлифах после травления может наблюдать­ся один вид зерен (светлые) или два—(светлые и темные) (рис. 4, в, г). Размер зерна оценивается с помощью специальной шкалы померами от 1 до 8 (№ 1—наиболее крупное зерно, № 8—мел­кое).

Размер зерна металлов и сплавов оказывает значитель­ное влияние на их механические и технологические свойства. Крупнозернистая структура (зерно № 1 и 2) характеризуется пониженными механическими свойствами, с уменьшением зерна от №3 до 8 повышается твердость и прочность и снижается пластичность. Дальнейшее измельчение зерна приводит к повышению и прочности, и пластичности.

х135 х135

а) б)

х135 х135

в) г)

Рис. 4. Микроструктуры шлифов: а, б - нетравленные микрошлифы; в, г – шлифы после травления.

План составления отчета

1. Указать цели микроструктурного анализа и кратко описать методику его проведения.

2. Описать технологию приготовления микрошлифа.

3. Зарисовать оптическую схему металлографического микроскопа М.ИМ.-7.

4. Зарисовать и описать микрошлифы до и после травле­ния.

5. Сделать выводы о влиянии неметаллических включе­ний и величины зерна на свойства металлов и сплавов.

Марганец способствует получению белого чугуна, так как он, являясь хорошим карбидообразующим элементом, образует карбид. Кроме того, марганец может растворяться и цементите, образуя легированный цементит (Fе·Мn)₃С, обладающий большой устойчивостью.

Сера способствует отбеливанию чугуна. Ее отбеливающее влияние в 5—6 раз больше, чем марганца. Так как сера склонна к ликвации, то в местах ее скопления появляются твердые пятна.

Фосфор на процесс графитизации заметного влияния не оказывает.

Образование графита может происходить не только при кристаллизации из жидкости или аустенита. Возможен и другой способ – в результате распада цементита. Цементит – неустойчивое соединение и при невысоких температурах может распадаться.

При температурах ниже липни Р'S'К' распад происходит по реакции Ц→Ф+Гр, а при температурах выше линии Р'S'К' распад сопровождается образованием следующих фаз:

Ц→А+Гр

И первом случае хотя процесс протекает медленнее, не заканчивается полной графитизацией (количеством растворенного в феррите углерода можно пренебречь), во втором —процесс идет быстрее, поскольку температуры выше, но не приводит к полной графитизации, так как часть углерода остается растворенной в аустените.

Микроструктура чугунов

Белый чугун. Микроструктурный анализ белых чугунов проводят, используя метастабильную диаграмму состояния системы железо—углерод.

Белый чугун делится на:

- доэвтектический (содержание углерода 2,14 - 4,3%), состоит из перлита, ледебурита превращенного и цементита вто­ричного, который может кристаллизоваться топкими плас­тинками или зернами;

В интервале температур 1153—138⁰С из аустенита вы­падает вторичный графит, при этом аустенит изменяет свои состав по линии Е'S'.

При температурах, соответствующих линии С'D', кри­сталлизуется первичный графит.

Основными факторами, влияющими на процесс графитизации, являются скорость охлаждения и химический состав чугуна.

Скорость охлаждения. Образование графита из жидко­сти или аустенита при охлаждении происходит в интервале температур между линиями стабильной и метастабильной ди­аграмм, например, температурами 1153 и 1147°С или 738 и 727°С. Интервалы эти составляют всего несколько градусов, следовательно, для того, чтобы как можно дольше жидкость и аустенит находились в этих интервалах (условие графитизации), скорость охлаждения должна быть мала.

Химический состав. Углерод и кремний способствуют процессу графитизации, и поскольку они оказывают интен­сивное влияние на структуру чугуна, то зависимость струк­тур от содержания углерода и кремния часто представляется в виде диаграмм. Пример такой диаграммы, построенной для отливок толщиной стенки 50 мм, приведен на рис. 3.

Рис. 3 Структурная диаграмма для чугуна: I – белый чугун; IIа – половинчатый;

II – перлитный; IIв – перлитно-ферритный; III – ферритный.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3