Лабораторная работа № 10 микроанализ термически обработанных сталей

Цель работы:

1. Изучить структуры термически обработанных углеродистых сталей (доэвтектоидной и заэвтектоидной);

2. Установить зависимости между режимом термообработки, структурой и механическими свойствами стали.

Приборы, материалы, инструменты:

1. металлографический микроскоп МИМ-10

2. коллекция шлифов

3. твердомер ТК-2

Все превращения в сплавах, происходящие по диаграмме состояния железо–углерод, протекают при медленном охлаждении; они успевают полностью завершиться при температурах, указанных на диаграмме, вследствие чего получаются равновесные структуры. Скорость охлаждения при термообработке имеет большое значение.

Аустентит при быстром непрерывном охлаждении распадается с образованием следующих структур: сорбита, троостита и мартенсита.

При скоростях охлаждения до 50 ⁰С в секунду распавшийся аустенит образует структуру сорбит, представляющую собой смесь феррита, цементита, но более мелкодисперсную, чем перлит. Сорбит по сравнению с перлитом обладает большей вязкостью и лучшими упругими свойствами. Твердость сорбита НВ=250-350.

Структура сорбита встречается в конструкционных сталях после закалки с охлаждением в масле, а также после закалки и после высокого отпуска.

При скоростях охлаждения до 80-100 ⁰С в секунду образуется троостит, представляющий собой смесь феррита и цементита очень высокой степени дисперсности. Твердость троостита НВ = 350-500. Структуру троостита могут иметь конструкционные стали, закаленные с охлаждением в масле и закаленные и опущенные при температуре 350-450⁰С.

Строение троостита почти не выявляется в микроскоп из-за значительной измельченности частиц цементита и феррита. При изготовлении микрошлифа троостит, как высокодисперсная двухфазная структура, обнаруживает травимость по сравнению с другими структурами стали.

Поэтому при микроанализе троостит выявляется в виде темных образований.

При скоростях охлаждения 150-180 ⁰С в секунду образуется мартенсит, представляющий собой перенасыщенный твердый раствор углерода в-железе. Мартенситная структура типична для закаленных сталей и характеризуется игольчатым строением, большой хрупкостью и твердостью НВ = 500-600. Структура мартенсита встречается в конструкционных и легированных сталях после закалки в масле и воде и последующего низкого отпуска.

Структура стали, получаемая после термообработки, зависит не только от скорости охлаждения, но и от температуры нагрева.

При нагреве доэвтектоидной стали до температур выше точка Ас_зи последующем быстром охлаждении со скоростью, превышающей критическую, структура будет состоять из одного мартенсита. Такая сталь обладает высокой твердостью.

При нагреве доэктивтоидной стали до температуры выше точки Ас₁и последующим охлаждении с той же скоростью в структуре стали, наряду с мартенситом, будет присутствовать часть феррита и закалка окажется неполной.

Заэвтектоидная сталь, нагретая до температуры выше Ас₁и охлажденная с большой скоростью, будет состоять из мартенсита, избыточного цементита и некоторого количества остаточного аустентита.

Присутствие избыточного цементита в структуре закаленной стали повышает ее твердость и износоустойчивость; только важно, чтобы он находился не в виде цементной сетки, которая придает хрупкость стали, а в виде зернистого цементита.

Нагрев заэвтоидной стали до температуры выше Ас_зпри охлаждении с той же скоростью приведет к образованию структуры из крупнокристаллического мартенсита и значительного количества остаточного аустенита.

Структура, получаемая в стали при распаде переохлажденного аустенита при температурах критической точки в изотермических условиях, характеризуется диаграммой изотермического превращения аустенита.

Низкий отпуск закаленной стали, производимый с нагревом до 200-250 ⁰С, не вызывает заметных изменений в ее структуре, наблюдаемой в микроскопе. Образуется структура отпущенного мартенсита; отпущенный мартенсит похож на мартенсит закалки. Характерным является только то, что если в мартенсите после закалки иглы пластин светлые, то в отпущенном мартенсите они темные.

Изменение цвета связано с изменениями, происходящими в мартенсите при низкотемпературном отпуске.

При нагреве стали со структурой мартенсита до 200 ⁰С происходит выделение из перенасыщенного твердого раствора углерода в-железе мельчайших частичек цементита, еще связанных с исходной фазой (-раствором). При этом уменьшается степень тетрагональности мартенсита.

Микроструктура троостита отпуска образуется после отпуска при 300-400 ⁰С стали, закаленной на мартенсит. Характерно для троостита отпуска является сильное потемнение при травлении.

Микроструктура сорбита отпуска образуется после отпуска при 500-600 ⁰С стали, закаленной на мартенсит.

Кристаллики карбидов в троостите и сорбите отпуска имеют зернистую форму.

Изучение структуры проводится путем просмотра под микроскопом коллекции шлифов термически обработанных углеродистых сталей. Условия образования структурных составляющих определяют по диаграмме состояния Fe-C и С-образной кривой изотермического аустенита.

В наших условиях твердость металлов определяется прибором Роквелла, – следовательно, необходимо эту твердость перевести по таблице перевода твердости по Бринеллю.

Рис. 22. Игольчатый мартенсит