 |
При освещении протравленного микрошлифа на металлографическом микроскопе лучи света будут по-разному отражаться от различно протравившихся структурных составляющих.
Структурные составляющие, протравившиеся слабо отразят в поле зрения микроскопа больше лучей света, и будут казаться светлыми. Структурные составляющие, протравившиеся сильно, отразят в поле зрения микроскопа, вследствие рассеяния света, меньше лучей и будут казаться темными. Таким образом, на разнице в состоянии поверхности и количестве отраженных лучей и основано выявление структуры сплавов.
 |
Структурными составляющими железоуглеродистых сплавов являются: феррит, цементит, перлит, аустенит, ледебурит, графит и др.
Феррит является самой пластичной и мягкой составляющей сплавов (80-100 НВ), он белого цвета, в отличие от перлита, зерна которого имеют темный цвет, т. к. он травится интенсивнее, чем феррит. Перлит – смесь феррита и цементита (200 НВ).
Цементит (Fe3C) – карбид железа (6,67% С) самая хрупкая и твердая составляющая железоуглеродистых сплавов (800 НВ).
Феррит наблюдается под микроскопом в виде светлых зерен различной величины. Цементит – в виде пластин, мелких зерен и сетки по границам зерен других структурных составляющих (феррита или перлита). Перлит наблюдается в виде чередующихся между собой темных и светлых полосок. В зависимости от формы цементита различают: пластинчатый перлит, в котором цементит имеет форму пластин; и зернистый, в котором цементит содержится в виде зерен, расположенных в феррите.
Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в Feg. Он пластичен, но прочнее феррита (160-200 НВ).
Ледебурит – механическая смесь перлита и цементита (600 НВ).
Графит – углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии.
Структура чугуна представляет собой стальную основу феррита, перлита или феррито-перлита, пронизанную графитовыми включениями различной формы. В серых чугунах графит наблюдается в виде пластинок или “червячков”. В ковком он имеет хлопьевидную форму, а в высокопрочном – шаровидную. В белом чугуне углерод в свободном виде отсутствует и находится в связанном состоянии (например, в виде карбидов железа).
По соотношению площадей, занимаемых в исследуемой структуре перлитом и ферритом, можно определить содержание углерода в стали. Для этого сначала определяют зрительно количество перлита в общей массе стали (по соотношению площадей) и зная, что в перлите содержится 0,8 % углерода, подсчитывают содержание углерода умножением площади, им занимаемой, на процентное содержание углерода (содержание углерода в феррите не учитывается, так как эта величина по сравнению с перлитом незначительна - 0,006 %). Например, если на просматриваемом поле шлифа перлит занимает приблизительно 50 % общей площади микроструктуры, содержание углерода в этой стали приблизительно равняется 0,5 ∙ 0,8 = 0,4 %, т. е. исследуемый материал - сталь 40.
1.1. Конструкция микроскопа МИМ-7
Для исследования микроструктуры металлов и сплавов применяют металлографические микроскопы, которые, в отличие от биологических, позволяют рассматривать непрозрачные тела в отраженном свете. Они также пригодны для изучения горных пород, пластмасс, древесины и других материалов.
Микроскоп МИМ-7 состоит из трех основных частей: осветителя I, корпуса II и верхней части III (рис. 17).
Внутри кожуха осветителя 1 находится лампа. В верхней части иллюминаторного тубуса 10 расположено посадочное отверстие под объектив.
В отверстие зрительного тубуса 17 вставляется окуляр 18. При визуальном наблюдении тубус задвигают до упора, а при фотографировании выдвигают его до отказа.
Предметный столик 19 при помощи винтов 20 может передвигаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях. На предметном столике расположены держатели, состоящие из вертикальных колонок 2 и пружинящих прижимов 23, которыми микрошлиф прижимается к подкладке предметного столика.
Предметный столик 19 при помощи винтов 20 может передвигаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях. На предметном столике расположены держатели, состоящие из вертикальных колонок 2 и пружинящих прижимов 23, которыми микрошлиф прижимается к подкладке предметного столика.
Макрометрический винт 24 служит для перемещения предметного столика в вертикальном направлении для грубой наводки на фокус. Зажимным винтом 25 фиксируют определенное положение предметного столика, чтобы он самопроизвольно не опускался.
Рис. 17. Общий вид микроскопа МИМ-7
С помощью микрометрического винта 26 объектив перемещают в вертикальном направлении и точно наводят на фокус. Расход микрометрической подачи 3 мм, цена деления барабана – 0,003 мм.
1.2. Оптическая система микроскопа МИМ-7
Световые лучи (рис. 18) от электрической лампы 1 проходят через коллектор 2 и, отражаясь от зеркала 3, попадают на светофильтр 4 (обычно желтый для получения изображения с резкими контурами), затем на апертурную диафрагму 5 (для ограничения световых пучков и получения высокой четкости изображения), линзу 6, фотозатвор 7, полевую диафрагму 8 (для ограничения освещенного поля рассматриваемого участка на микрошлифе), преломляются пентапризмой 9, проходят через линзу 10, попадают на отражательную пластинку 11, направляются в объектив 12 и на микрошлиф 13, установленный на предметном столике. Отразившись от микрошлифа, лучи вновь проходят через объектив и, выходя из него параллельным пучком, попадают на отражательную пластину и ахроматическую линзу 14.
При визуальном наблюдении в ход лучей вводится зеркало 15, которое отклоняет лучи в сторону окуляра 16. При фотографировании зеркало выключается выдвижением тубуса вместе с окуляром и зеркалом, и лучи направляются непосредственно к фотоокуляру 17, проходя через него на зеркало 18, от которого отражаются и попадают на матовое стекло 19, которое заменяется кассетой с фотопластинкой.
2. Порядок выполнения работы
1. Включить микроскоп МИМ-7 и настроить его для работы.
2. Поместить исследуемый шлиф полированной и протравленной поверхностью вниз на предметный столик.
3. Просмотреть микрошлифы сплавов в разных местах и выбрать наиболее четкие и характерные.
4. Зарисовать микроструктуру шлифов в кругах диаметром 60 мм или в квадратах 60х60 мм.
5. Под каждой зарисованной микроструктурой дать запись с указанием наименования сплава, структуры и его химического состава.
6. На каждой зарисованной микроструктуре указать стрелками различные фазы и структурные составляющие.
7. Рассчитать содержание углерода в указанном преподавателем микрошлифе.
8. Написать выводы по работе.
3. Содержание отчёта
1. Цель лабораторной работы.
2. Рисунки микрошлифов железоуглеродистых сплавов.
3. Расчет содержания углерода в указанном шлифе.
4. Выводы по работе.
4. Контрольные вопросы
1. Что такое макро - и микроанализ?
2. Что определяется при помощи макро - и микроанализа?
3. Как приготовить микрошлиф?
4. Какие существуют способы обработки поверхности?
5. Какие особенности существуют при шлифовании цветных металлов и сплавов?
6. В чем сущность электролитического полирования?
7. Для чего необходимо травление образцов?
8. В чём сущность процесса травления?
9. Какие реактивы применяются при травлении?
10. Почему часто зерна одного и того же металла травятся по-разному?
11. Какие структурные составляющие железоуглеродистых сплавов Вы знаете?
12. Как определить содержание углерода в стали по соотношению площадей занимаемых в исследуемой структуре перлитом и ферритом?
13. Опишите конструкцию микроскопа МИМ-7.
14. Опишите оптическую систему микроскопа МИМ-7.
Лабораторная работа № 4
Тема: термическая обработка железоуглеродистых сплавов.
Цели работы:
· познакомиться с основными видами термической обработки;
· приобрести навыки проведения операций термообработки;
· изучить влияние скорости охлаждения на твердость углеродистых сталей.
Время, отведенное на проведение работы: 2 часа.
Необходимое оборудование, инструменты, материалы:
- нагревательная муфельная печь с электрическим обогревом; твердомер типа ТК-14-250; клещи; часы; шлифовальная шкурка; охлаждающие среды; образцы углеродистых сталей.
1. Теоретическая часть
Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. Основной механизм термической обработки - перекристаллизация сплавов в твердом состоянии. При нагреве до определенной температуры и последующем охлаждении происходит изменение строения сплава без изменения его химического состава. Процесс сводится к полиморфному превращению феррита в аустенит и растворению в образовавшемся аустените цементита. Охлаждая с различными скоростями аустенит, можно получить продукты его распада, резко отличающиеся по строению и свойствам.
Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, инструменты.
Технология термической обработки заключается в нагреве сплава до некоторой температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с различными скоростями; или сначала может быть охлаждение, а затем нагрев до комнатных температур. Температуры нагрева углеродистых сталей для различных видов термообработки показаны на диаграмме железо-углерод и определяются составом стали. В производственных условиях температуры уточняют опытным путем, так как содержащиеся в стали примеси влияют на температуры. Легирование меняет температуры под термическую обработку, поэтому пользоваться диаграммой железо-углерод для определения температуры без учета влияния легирующих элементов нельзя. Обычно такие стали требуют более высоких температур нагрева и более длительной выдержки при высокой температуре. Они выбираются по данным из справочников.
Термическая обработка может быть сложной, состоящей из многочисленных нагревов, прерывистого или ступенчатого нагрева (охлаждения), охлаждения в область отрицательных температур. Скорость нагрева может быть тем выше, чем менее легирована сталь, однороднее её макро - и микроструктура, проще конфигурация изделия и равномернее подвод тепла к нему. Скорость нагрева легированных сталей меньше на 25-40 %.
Термическую обработку стали подразделяют на предварительную и окончательную. Предварительная применяется для подготовки структуры и свойств материала для последующих технологических операций (обработки давлением, резанием и др.). Окончательная формирует свойства готового изделия.
Основные виды термической обработки – отжиг, закалка, нормализация, отпуск, старение, обработка холодом.
Отжиг – термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру близкую к равновесной, нагрев сплавов выше линии GSЕ на диаграмме на 30-50 °С с последующим очень медленным охлаждением в пределах 30-200°С/час (обычно с печью). Отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений. Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретной разновидности отжига.
Отжиг применяют, когда необходимо подготовить деталь сложной конфигурации для последующей обработки резанием или под закалку после литья, ковки или холодной пластической деформации (для снятия наклепа или нагартовки), когда необходимо устранить или смягчить неоднородность состава, повысить пластичность, стабилизировать свойства и повысить стойкость к коррозии. Сталь получается с низкой прочностью и твердостью при достаточном уровне пластичности. Определенный вид отжига применяют для повышения упругих свойств мембран и пружин.
Закалка – термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии (выше линии GSK на 30-50 °С), после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении.
Конструкционные и инструментальные сплавы закаливают для упрочнения. Прочность возрастает вследствие измельчения зерен. Повышение твердости, прочности и износостойкости происходит в значительной степени из-за образования структуры мартенсита. Закалка обеспечивает значительное повышение прочности образцов сложной формы.
В сплавах с особыми свойствами закалка позволяет изменить структурночувствительные физические или химические свойства: увеличить удельное электросопротивление, повысить коррозионную стойкость и так далее.
Нагрев выше указанных температур не нужен и опасен, так как твердость несколько падает, зерно аустенита быстро растет, сталь интенсивно обезуглероживается. Также это может привести к образованию закалочных трещин, окислению границ зерна, а, следовательно, к уменьшению прочности стали.
В сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, и полнота обратного превращения при охлаждении зависит от скорости охлаждения.
Способность стали принимать закалку повышается с возрастанием содержания в ней углерода. Если углерода менее 0,2 %, сталь практически не закаливается.
Существует множество способов закалки (в одном охладителе, ступенчатая, прерывистая, струйчатая, поверхностная, объемная и другие). В зависимости от состава стали, формы и размеров детали, необходимых свойств выбирают наиболее просто осуществимый и обеспечивающий нужные свойства способ закалки.
Основными дефектами после закалки являются: хрупкость, мягкие пятна, обезуглероживание и окисление поверхности, коробление, деформации и трещины. Причины этого - неправильный подбор температуры, недостаточная выдержка при правильной температуре, недостаточная интенсивность охлаждения, неоднородность исходной структуры, неправильный подбор нагревающей атмосферы, перегрев в печи, наличие в изделии концентраторов напряжений. Поэтому закалка является предварительным видом термической обработки.
Нормализация - нагрев сплавов выше линии GSЕ на 30-50 °С с последующим охлаждением на воздухе. Скорость охлаждения зависит от массы изделия и отношения его поверхности к объему.
Нормализация дешевле и проще отжига, обеспечивается более быстрое охлаждение, а, следовательно, большая твердость и прочность (на 10-15 %). Устраняется крупнозернистая структура, полученная при литье, прокатке, ковке или штамповке; выравниваются механические свойства.
Для низкоуглеродистых нелегированных сталей разницы между отжигом и нормализацией нет (поэтому применяют нормализацию), а для средне - и высокоуглеродистых нормализация не может заменить отжиг, и она придает стали более высокую прочность, обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получение более чистой поверхности.
Отпуск и старение – термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной (нагрев сплава ниже линии PSK на 30-50 °С с последующим медленным охлаждением 1-2,5 часа). Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, удельного электросопротивления и других) по сравнению с отожженным состоянием.
В большинстве сплавов после закалки получают пересыщенный тве-
рдый раствор, в этом случае основной процесс, происходящий при отпуске или старении – распад пересыщенного твердого раствора.
Температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние сплава при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге.
Термин «отпуск» используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение, термин «старение» применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения.
Отпуск и старение – заключительные операции термической обработки, окончательно формирующие структуру и свойства изделия. Они позволяют снять внутренние напряжения, устранить искажения кристаллической решетки, увеличить пластичность. Напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска и чем медленнее охлаждение.
Отпуску чаще всего подвергают режущий и измерительный инструмент из углеродистых сталей, пружины и рессоры, штампы, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку или химико-термическую обработку.
Нормализацию с последующим высоким отпуском часто используют для исправления структуры легированных сталей вместо отжига.
При обработке холодом изделие охлаждается до отрицательных температур (обычно до -30…-70 °С) погружением в жидкий азот или с применением сухого льда, а затем нагревается. Обработка проводится после закалки. Чтобы не возросли напряжения, изделие охлаждают медленно и сразу после обработки холодом выполняют отпуск. Это применяется для измерительных и контрольных инструментов с высоким содержанием углерода, пружин, подшипников и др. для получения максимальной твердости.
Любой технологический процесс термической обработки состоит из трех основных этапов: нагрев, изотермическая выдержка и охлаждение.
Для нагрева применяют чаще всего электрические камерные или муфельные печи с проволочными нагревательными элементами и соляные ванны. Иногда предусматривается пламенная завеса (трубчатая горелка), равномерно перекрывающая загрузочный проем во время открывания дверцы.
 вентилятор; 5 – нагревательная камера;
6 – цепной механизм для передвижения поддона с деталями
" width="418" height="335"/> |
Для того чтобы избежать окисления и обезуглероживания стальных деталей при нагреве, рабочее пространство современных термических печей заполняют специальными защитными газовыми средами или нагревательную камеру вакуумируют.
Для повышения производительности при термической обработке мелких деталей машин и приборов применяют скоростной нагрев, то есть загружают их в окончательно нагретую печь. Однако скоростной нагрев опасен для крупных деталей, поэтому нагрев таких деталей производят медленно(вместе с печью) или ступенчато. На машиностроительных заводах применяют механизированные печи и автоматизированные агрегаты (рис. 19).
Соляные ванны (рис. 20) позволяют быстро нагревать детали без окисления и обезуглероживания их поверхности, допускают точное ре-гулирование температуры нагрева и позволяют осуществить местный нагрев; но имеются и недостатки: тигли, в которых расплавляются соли, обладают малой стойкостью, и при плохом раскислении ванны возможно обезуглероживание – необходимо очищать детали от налипших солей. Все шире применяют вакуумные печи, имеющие графитную изоляцию и графитные нагревательные стержни, что позволяет достигать температур °С.
В данной лабораторной работе для нагрева образцов применяется муфельная печь ПМ-8 со следующими параметрами: максимальная температура внутри муфеля 900 °С, время разогрева до этой температуры при незагруженной рабочей камере не более двух часов. Основным её элементом является керамический муфель с намотанным по его наружной поверхности нагревательным элементом – нихромовой проволокой, поверх которой нанесен слой керамической обмазки. Свободное пространство между муфелем и корпусом заполнено теплоизоляционным материалом. Муфель закрывается дверцей, футерованной керамикой. Контроль температуры осуществляется при помощи термопары с прибором.
Общее время нагрева изделий складывается из времени нагрева до заданной температуры и выдержки при этой температуре:
 |
τобщ. = τнаг. + τвыд. (17)
Время нагрева зависит от нагревающей способности среды, размеров и формы деталей, их укладки в печи, теплопроводности материала деталей, вида нагрева (односторонний, многосторонний или всесторонний), типа нагревательных печей.
Время выдержки определяется скоростью фазовых превращений, которая определяются дисперсностью исходной структуры; зависит также от состава и исходного состояния стали (должно быть достаточным, чтобы обеспечить образование однородного аустенита по всему сечению). Чаще всего это время составляет 15-25 % от τнаг. Обе составляющие времени выбираются по табл. 7.
Вследствие неравномерного нагрева и охлаждения различных участков детали в ней возникают внутренние напряжения. Их величина зависит от скорости и равномерности нагрева (охлаждения), размеров и свойств детали. Между соседними зернами или внутри зерна напряжения возникают из-за различия в коэффициентах линейного расширения и образования новых фаз. В результате закалки увеличивается удельный объем стали (до 1 %), из-за этого-то и возникают внутренние остаточные напряжения (окружные и осевые), трещины и коробления. Трещины являются неисправимым дефектом, а коробления можно устранить последующей рихтовкой или правкой. Напряжения могут вызвать не только упругую, но и пластическую деформацию слоев по сечению. Если сплав обладает малой пластичностью и внутренние напряжения превзойдут σпч, это приведет к трещинам (особенно опасны растягивающие напряжения на поверхности).
Таблица 7
Ориентировочная продолжительность нагрева изделий для закалки
Условия нагрева | Время нагрева 1 мм сечения (или толщины изделия), с | ||
круглого | квадратного | прямоугольного | |
в электропечи | 40-50 | 50-60 | 60-75 |
в пламенной печи | 35-40 | 45-60 | 55-60 |
в соляной ванне | 12-15 | 15-18 | 18-22 |
Свойства стали после термической обработки во многом зависят и от вида охлаждающей среды.
При закалке в момент погружения изделия в охлаждающую среду вокруг него сразу же образуется пленка перегретого пара (паровая рубашка), через которую и происходит охлаждение – это стадия пленочного кипения. Когда температура поверхности достигает некоторого значения, паровая рубашка разрывается, и жидкость начинает кипеть на поверхности детали - охлаждение проходит быстрее – это стадия пузырчатого кипения. И когда температура поверхности становится ниже температуры кипения жидкости, охлаждение опять замедляется– идет стадия конвективного теплообмена.
Подбирая охлаждающую среду, а, следовательно, и скорость охлаждения, можно получить различные структуры: крупно - и мелкозернистые, зернистые, пластинчатые и игольчатые отличающиеся дисперсностью и твердостью.
Для крупных, но простых по форме деталей из углеродистой стали, применяют воду или водные растворы щелочей.
Охлаждение в водных растворах кислот, солей и щелочей лучше чем охлаждение в чистой воде, так как нет периода пленочного кипения. Причем изменение температуры среды влияет на охлаждающую способность. В инструментальном производстве применяют 5…15 % растворы NaCl в воде. Для изделий сложной формы, склонных к короблению и трещинообразованию – растворы щелочей.
 |
В последнее время применяют водные растворы моющих средств, содержащих поверхностно-активные вещества.
Повышение охлаждающей способности достигается при использовании струйного или душевого охлаждения, а также применением смесей воды с воздухом, подаваемых через форсунки.
Для охлаждения легированных сталей часто применяют минеральное масло. Оно хорошо тем, что снижает вероятность возникновения закалочных дефектов, но имеет высокую воспламеняемость (температура вспышки составляет 165-300 °С) и высокую стоимость. Температуру масла при закалке поддерживают в пределах 60-90 °С, когда его вязкость минимальна.
Чистые минеральные масла или их смеси часто служат типичными закалочными средами и для крупных изделий сложной формы.
Значительное влияние на качество детали после термической обработки оказывает не только разработанная технология термической обработки, но и конструктивная форма детали. Следует помнить:
1. Чем сложнее форма обрабатываемой детали, тем тщательнее необходимо выбирать условия охлаждения, так как чем больше различие в сечениях детали, тем выше внутренние напряжения и деформация при термической обработке (рис. 21).
2. Чем больше в стали углерода, тем больше вероятность возникновения деформаций, трещин, внутренних напряжений и других закалочных пороков – тем тщательнее необходимо выбирать условия охлаждения.
3. По возможности следует избегать сочетания в одной детали толстых и тонких сечений, разновременное изменение температуры в которых приводит к большим внутренним напряжениям.
4. Следует избегать острых углов и резких переходов в детали, которые являются концентраторами напряжений. Обычно в этих местах возникают трещины, как при термической обработке, так и при последующей эксплуатации деталей.
5. Следует избегать в изделии поднутрений и глухих отверстий, где хорошо сохраняется паровая рубашка.
6. Для сложных по форме деталей следует предусмотреть использование легированных сталей, для закалки которых можно использовать мягкие охладители (масло).
Таким образом, результаты термообработки зависят от многих факторов. Экспериментальное изучение влияния некоторых из них на механические свойства сплавов является содержанием данной работы. Характеристикой механических свойств в данном случае служит твердость.
Таблица 8
Относительная охлаждающая способность закалочных сред
Охлаждающая среда | температура, °С | относительная интенсивность охлаждения в середине интервала пузырькового кипения | |
охлаждающей среды | пузырькового кипения | ||
вода | 20 40 80 | 400-100 350-100 250-100 | 1 0,7 0,2 |
10 %-й раствор в воде: NaCl NaOH | 20 20 | 650-100 650-100 | 3 2,5 |
масло минеральное | 20-200 | 500-250 | 0,3 |
2. Порядок выполнения работы
1. Определить твердость образцов в исходном состоянии методом Роквелла.
2. Замаркировать образцы и замерить их толщину.
3. По диаграмме железо-углерод и справочным таблицам определить температуру нагрева образцов.
4. Выбрать время нагрева tнаг. образцов до выбранной температуры (табл. 7). Время выдержки составляет приблизительно 20 % от общего времени нагрева. По формуле (17) определить общее время нагрева.
5. Загрузить образцы в печь и зафиксировать время загрузки. Выдержать расчетное время.
6. Образцы охладить в чистой воде, в 10 % растворе NaCl в воде, масле и на воздухе. Погружение образцов в закалочную среду следует производить вертикально и в охладителе перемещать не менее 2-3 с для разрушения паровой рубашки, замедляющей охлаждение.
7. Зачистить торцы образцов на абразивном круге для снятия окалины и обезуглероженного слоя и замерить их твердость после термической обработки.
8. Используя полученные данные построить графики термообработки и над каждой из четырех указанных ветвей охлаждения написать вид термической обработки (рис. 22).
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
