Материаловедение. Технология конструкционных материалов (стр. 5 )

Газовые примеси – H2, N2, О2 в количестве меньше 0,008 % образуют неметаллические включения – оксиды FeO, Fe2O3, SiO2, нитриды, газовые пузыри, что ухудшает свойства стали. Водород сильно охрупчивает сталь.

Порядок выполнения работы

1.  Записать в отчет тему и цель работы.

2.  Изучить теоретическую часть работы.

3.  Ознакомиться со справочной литературой.

4.  Записать в отчет ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1.  Какие фазы образуются в метастабильной системе железо – углерод? Дать им характеристику.

2.  Написать эвтектическую и эвтектоидную реакции системы Fe – Fe3C. Какие структурные составляющие при этом образуются?

3.  Что такое критическая точка стали? Какие критические точки при охлаждении вы знаете?

4.  Что такое сталь? Как подразделяются стали в зависимости от содержания углерода?

5.  Структура стали, содержащей 0,45 % С при Тºком, при 900 ºС?

6.  Что такое эвтектоидная сталь, какова ее структура?

7.  Какие стали являются заэвтектоидными, какова структура этой стали?

8.  Что такое белый чугун и как подразделяются чугуны по содержанию углерода?

9.  Какова структура белых чугунов: 3 % С; 3,8 % С; 4,3 % С; 5 % С?

10.  Как меняется структурный и фазовый состав сплавов в зависимости от содержания углерода? Как это влияет на свойства?

11.  Что такое цементит первичный, вторичный?

12.  Какие примеси могут присутствовать в составе стали и как они влияют на свойства?

Лабораторная работа № 4

Тема: «Технология термической обработки.

Химико-термическая обработка металлов и сплавов»

Цель работы: практическое освоение основных операций термической обработки углеродистых сталей.

Краткие сведения из теории

Термическая обработка – это процесс нагрева и охлаждения изделий из металлов и сплавов с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении.

Основными видами термической обработки (ТО) углеродистых сталей являются: отжиг, нормализация, одинарная термическая обработка, закалка, отпуск (после закалки).

Первым этапом при проведении первых четырех видов ТО является нагрев сталей в оптимальном интервале температур: доэвтектоидных на 30...50 °С, а эвтектоидной и заэвтектоидных – на 30...50 °С. В результате фазовой перекристаллизации стали приобретают структуру мелкозернистого аустенита, причем в заэвтектоидных сталях сохраняются еще и включения вторичного цементита.

После выдержки при этих температурах для полного завершения фазовой перекристаллизации и диффузионного выравнивания содержания углерода в мелкозернистом аустените следует охлаждение с заданной скоростью. При этом из мелкозернистого аустенита образуются и мелкозернистые структуры продуктов его превращения, что является необходимым условием достижения оптимальных механических свойств.

На рис. 8 показан фрагмент диаграммы Fe – C, где находятся углеродистые стали. Линии на диаграмме имеют специальные обозначения. Линия А1 (723º) показывает начало образования аустенита при нагреве, линия А3 – конец образования аустенита, линия Аст – конец растворения цементита в аустените.

После медленного охлаждения, а диаграмма построена при медленном охлаждении, структуры стали в зависимости от содержания углерода будут различными.

Рассмотрим процессы, происходящие при нагреве эвтектоидной стали. При нагреве стали выше А1 перлит превращается в аустенит. Этот процесс протекает в 2 этапа.

1. Кристаллическая решетка феррита (ОЦК) перестраивается в решетку аустенита (ГЦК).

2. Цементит растворяется в аустените.

Рис. 8. Фрагмент диаграммы Fe – C с указанием фаз и критических

температур (А1, А2, Аст)

Таблица 4

Виды и структура сталей

% С	Название	Структура
0–0,02	Бесперлитные стали	Ф, Ф + Ц
0,02–0,83	Доэвтектоидные стали	Ф + П
0,83	Эвтектоидная сталь	П
0,83–1,3	Заэвтектоидные стали	П + Ц

 Первый этап протекает достаточно быстро. Второй требует определенного времени (на диффузию атомов углерода из Fe3C в аустенит). Время это тем меньше, чем больше разница между А1 и фактической температурой нагрева.

Например, при t = 740º П ® А за 8 мин., при 780º – за 2 минуты.

Продолжительность этого этапа зависит и от размера частиц цементита: чем они меньше, тем быстрее они растворяются в аустените.

Процесс превращения перлита в аустенит протекает путем зарождения в перлите многочисленных зерен аустенита и последующего их роста. Процесс заканчивается, когда зерна аустенита полностью заполняют объем исходного перлитного зерна (рис. 9). Размер образовавшихся аустенитных зерен (начальное зерно аустенита) будет намного меньше исходного перлитного зерна.

При дальнейшем повышении температуры зерна аустенита растут путем перемещения границ, а число зерен, естественно, уменьшается.

а) б) в) г)

Рис. 9. Схема образования аустенита при нагреве эвтектоидной стали: а – исходная перлитная структура (ниже А1); б – начало образования аустенита (выше А1); в – конец образования аустенита, так называемое начальное зерно аустенита; г – рост зерна аустенита при нагреве (много выше А1)

Назначение и условия проведения основных видов термической обработки:

1. Отжигом называют вид термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и медленном охлаждении.

В процессе отливки, прокатки или ковки стальные заготовки охлаждаются неравномерно, что приводит к неоднородности структуры и свойств, возникновению внутренних напряжений. При затвердевании отливок, кроме того, возможно появление внутри кристаллитной ликвации (химической неоднородности по сечению зерна). В сварных соединениях также наблюдаются неоднородности структуры, свойств и внутренние напряжения.

Для устранения различного рода структурных неоднородностей проводят отжиг. Существует несколько видов отжига, различающихся по технологии выполнения и цели. Для измельчения зерна перегретой стали, снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием применяют полный, неполный, изотермический отжиги и отжиг на зернистый перлит. Для уменьшения внутреннего напряжения, снижения твердости, повышения пластичности и изменения формы зерен холоднодеформированного металла применяют рекристаллизационный отжиг. Для устранения внутрикристаллитной ликвации в легированных сталях – высокотемпературный диффузионный отжиг.

Полный отжиг проводится для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей. Температура нагрева на 30–50º выше А3, т. е. структуру полностью переводят в аустенитное состояние. После выдержки сталь медленно охлаждают в печи. Скорость охлаждения углеродистых сталей 100–150 º/час, легированных – 30–40 º/час. Структура стали после полного отжига получается феррито-перлитная, т. е. такая, как по диаграмме Fe – C.

Неполный отжиг проводят практически для инструментальных заэвтектоидных сталей, только в том случае, если в структуре нет цементита по границам зерен (сетка цементита). Если есть сетка цементита, то для ее устранения применяют нормализацию, что будет рассмотрено ниже. Температура нагрева на 30–50º выше А1 (750–780º ). При нагреве структура будет состоять из аустенита и цементита, после медленного охлаждения – из перлита и цементита.

Изотермический отжиг проводят с той же целью, что и полный, но время на его проведение требуется меньше. После нагрева до температуры на 30–50º выше А1, выдержки для выравнивания температуры по сечению сталь подстуживают немного ниже А1 (650–700º ) и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита на феррит и перлит, дальнейшее охлаждение может происходить с любой скоростью.

В отличие от других видов отжига здесь распад аустенита проходит не при непрерывном охлаждении, а в изотермических условиях (при постоянной температуре). Проводить такой отжиг проще, т. к. контролировать температуру легче, чем скорость охлаждения.

Изотермический отжиг обычно применяют для легированных сталей, обладающих высокой устойчивостью аустенита (кривая изотермического распада сильно сдвинута вправо). Такой отжиг можно использовать только для мелких заготовок, у которых температура по сечению выравнивается сравнительно быстро.

Отжиг на зернистый перлит проводят с целью улучшить обрабатываемость резанием за счет снижения твердости при переводе пластинчатого перлита в зернистый. Такой отжиг применяют для эвтектоидной и заэвтектоидных сталей (при отсутствии сетки цементита).

2. Нормализация заключается в нагреве стали на 30–50º выше критических температур А3 и Аст (рис. 8) с последующим охлаждением на воздухе.

Цель нормализации доэвтектоидных сталей – несколько повысить прочность (по сравнению с прочностью после отжига) за счет измельчения структурных составляющих (феррита и перлита).

Цель нормализации заэвтектоидных сталей – устранить цементитную сетку по границам перлитных зерен и тем самым предотвратить повышенную хрупкость стали при последующей закалке. При охлаждении такой стали на воздухе (из аустенитной области) получается структура – сорбит.

3. Минорная термическая обработка применяется сравнительно редко, как более сильная, чем нормализация, упрочняющая ТО доэвтектоидных сталей. Она осуществляется так же, как отжиг на мелкое зерно, но сталь охлаждают быстро, например, в горячей воде или струёй сжатого воздуха. Образующиеся пластинчатые структуры сорбита или тростита с небольшим количеством избыточного феррита или без него придают стали более высокую прочность, твердость и износостойкость по сравнению с этими свойствами в нормализованном состоянии.