Структурные состовляющие термически обработаной стали.

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе,

профессор П.Б. Акмаров

«___»_______________2009 г.

 

 

Лабораторная работа

 

Микроструктура термически обработанных углеродистых сталей (в неравновесном состоянии)

Методическое пособие для студентов подготовки агроинженеров и бакалавров

Специальностей: ФМСХ, ФЭАСХ, ФМПСХП. ТОРМ

311300, 311400, 311500, 311900

 

 

 

Ижевск 2004 г

УДК 620.22

ББК 30.3

Методическое пособие составлено на основе Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, утвержденного 05.04.2000 г.

Рассмотрено и рекомендовано к изданию кафедрой МТКМ, протокол № от 2004 г. рекомендовано к изданию методической комиссией факультета механизации сельского хозяйства ФГОУ ВПО «Ижевская ГСХА», протокол № от 2009 г.

 

 

Рецензент:

Кандидат технических наук, доцент кафедры РМТКМ

Широбоков В.И.

 

Составитель

кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

доцент кафедры РМТКМ

Дронзиков В.А.

 

Микроструктура термически обработанных углеродистых сталей (в неравновесном состоянии). Лабораторная работа./Сост.: Г35 В.А.Дронзиков. Ижевск: РИО ИжГСХА, 2009 г. – стр.

 

В пособии приведена краткая теория формирования микроструктуры углеродистых сталей после различных видов термообработки, методика выполнения и представления результатов работы студентами, контрольные вопросы и фотографии, схемы изображения типичных качественных и дефектных структур сталей, способы устранения дефектов.

 

 

УДК 620.22

ББК 30.3

 

© РИО ИжГСХА, 2009 г.

©Дронзиков В.А. сост., 2009 г.

 

ВВЕДЕНИЕ. В работе рассматриваются микроструктуры углеродистых сталей в неравновесном состоянии (после закалки и закалки с отпуском). Структуры равновесного состояния приводятся в начале лишь для сравнительной качественной оценки исходного металла перед термообработкой.

СТРУКТУРНЫЕ СОСТОВЛЯЮЩИЕ ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАНОЙ СТАЛИ.

 

АУСТЕНИТ – твердый раствор углерода в гамма-железе (Fe_γ). В закаленной стали всегда остается какое-либо количество не распавшегося аустенита, причем, чем больше углерода в стали, тем больше количество не распавшегося аустенита. Такой аустенит носит название остаточного аустенита. По своей природе он ни чем не отличается от обычного аустенита, т.е. представляет собой твердый раствор углерода в железе и под микроскопом виден в виде светлых зерен.

МАРТЕНСИТ – пересыщенный твердый раствор углерода в Fe_α (альфа-железе). Различают мартенсит тетрагональный и отпущенный.

Тетрагональный мартенсит («мартенсит закалки») получается непосредственно после закалки углеродистой стали с содержанием углерода 0,35% и более и имеет тетрагональную решетку. Тетрагональность решетки обусловлена наличием в решетке мартенсита межузельных включений неустойчивых карбидов железа, имеющих бόльший объем, чем устойчивый цементит. Под микроскопом тетрагональный мартенсит виден в виде светлых игл на темном фоне (Рис.3). В таком мартенсите образуются, из-за искажений решетки, высокие внутренние напряжения, которые, если их не снять в течение определенного времени, могут привести к образованию микротрещин, саморазрушению или разрушению нагрузкой при эксплуатации металла, вплоть до опасного разлета осколков.

«Отпущенный мартенсит» образуется в процессе низкого отпуска закаленной стали, при температуре 150 – 250⁰. В отпущенном мартенсите из углеродных включений образуются высокодисперсные частицы цементита, их объем снижается, резко уменьшаются внутренние напряжения и решетка становится почти кубической – темные иглы на светлом фоне (Рис.6).

ТРООСТИТ – механическая смесь тонкодисперсных частиц цементита и феррита практически не различимых при обычном увеличении. При закалке со скоростью ниже критической троостит является продуктом прямого распада аустенита на механическую смесь, а при среднем отпуске – продуктом распада мартенсита закалки. В первом случае он имеет название троостит закалки, во втором – троостит отпуска. Структура троостита закалки – пластинчатая, а троостита отпуска – зернистая (Рис.7). Твердость троостита 300-400 НВ.

СОРБИТ – механическая смесь феррита и цементита, но более грубого строения, чем в троостите. Цементит в сорбите хорошо виден в микроскоп. Различают сорбит закалки и сорбит отпуска. Структура сорбита закалки пластинчатая, а сорбита отпуска – зернистая (Рис.8), твердость сорбита по Бринеллю 150-300 НВ.

Троостит и сорбит в отличие от равновесного перлита не имеют постоянного химического состава.

Рассмотрим изменение структуры доэвтектоидной стали с 0,45% С в зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения.

 

2. НОРМАЛЬНЫЙ ОТЖИГ СТАЛИ (шлиф №1).

 

Применяется для подготовки структуры к закалке. На закалку следует направлять металл после отжига или нормализации.

Нагрев до 860⁰ (на 30-50 градусов выше точки Ас₃) с последующим медленным охлаждением вместе с печью. Нормальная структура – механическая смесь равноосных мелких зерен феррита (светлые) и пластинчатого перлита (рис.1).

а) б)

 

Рис.1. Доэвтектоидная сталь

(4% раствор HNO₃,х500):

а – до отжига; б – после отжига

 

П

Ф

3. ПЕРЕГРЕВ СТАЛИ ПРИ ОТЖИГЕ (шлиф №2)

 

Если температура нагрева при отжиге была завышена, например, до 1000⁰ с последующим медленным охлаждением вместе с печью, то, хотя фазы будут те же, что и после нормального отжига для этой стали (при 860⁰) но величина зерен, строение фаз, форма и расположение будут иными. Сталь после отжига при 1000⁰ будет иметь грубую так называемую видманштеттовую структуру (крупное зерно) (рис.2). Сталь с такой структурой имеет низкую ударную вязкость. Подвергать такую сталь термообработке нельзя. Перегретую сталь с видманштетовой структурой можно исправить, т.е. сделать снова мелкозернистой. Для этого ее нужно подвергнуть нормальному отжигу с целью измельчения зерна.

 

Рис.2.

Микроструктура стали 45.

сильный перегрев при

отжиге - видманштеттова

структура (х500);травле-

ние 4%-ным спиртовым

раствором HNO₃.

4.НОРМАЛЬНАЯ ЗАКАЛКА (шлиф № 3)

 

Нормальной закалкой для стали с 0,45 % С является нагрев выше точки Ас₃ на 30-50⁰ с последующим быстрым охлаждением в воде. В результате такой закалки получают структуру «мартенсита закалки». Мартенсит имеет игольчатое строение, иглы расположены под углом 60, 90 и 120⁰ друг к другу.

Размер игл (пластинок) мартенсита определяется величиной исходного зерна аустенита. Чем больше зерно аустенита, тем крупнее размер игл образовавшегося мартенсита. Нормальный мартенсит закалки – мелко-игольчатый, светлые иглы на темном фоне (рис.3).

 

 

Рис. 3. Сталь 45. Нормальная закалка Мелко-игольчатый тетрагональный мартенсит закалки (х500);

 

 

5. ПЕРЕГРЕВ СТАЛИ ПРИ ЗАКАЛКЕ (шлиф № 4)

 

Сталь можно перегреть не только при отжиге, но и при закалке. Результат после закалки тот же – рост зерна, здесь это крупно-игольчатый мартенсит. Так, если сталь с 0,45% С нагреть перед закалкой не до 860⁰, а до 1000⁰, а затем охладить в воде, получится структура крупно-игольчатого мартенсита (рис.4). Такая сталь при закалке обладает большой хрупкостью. Исправление этого брака – нормальный отжиг для измельчения зерна с нормальной последующей закалкой.

 

 

 

 

Рис. 4. Сталь 45. Перегрев при закалке. Крупно-игольчатый тетрагональный мартенсит закалки (х500);

 

6.ЗАКАЛКА В МАСЛЕ (шлиф № 5)

 

Если сталь с 0,45% С нагреть до нормальной температуры закалки для этой стали – до 860⁰ (выше точки Ас₃) и охладить не в воде, а в масле, то получится структура троостита, т.к. охлаждение в масле, медленнее, чем в воде и происходит со скоростью ниже критической. В результате образующийся мартенсит частично распадается на троостит закалки.

На шлифе темные участки – троостит закалки, светлые участки – мартенсит закалки (рис 4.).

 

 

 

Рис. 4. Сталь 45. Закалка в масле. Мартенсит и троостит закалки (х500);

 

 

7.НЕПОЛНАЯ ЗАКАЛКА (шлиф № 6)

 

Если сталь с 0,45% С нагреть до температуры выше точки Ас₁, но ниже точки Ас₃ (температура 760⁰), а затем быстро охладить в воде, то такая закалка стали называется неполной закалкой. Структура после неполной закалки, состоит из феррита и мартенсита. Твердость стали при этом по сравнению с нормально закаленной сталью пониженная, т.к. феррит – мягкая структурная составляющая не меняющаяся при закалке.

При нагреве стали 45 до температуры 760⁰ эта сталь согласно диаграмме состояния Fe-С, имеет две фазы: аустенит и феррит. При охлаждении в воде аустенит переходит в мартенисит, а феррит остается стали без изменения. Поэтому, структура стали после неполной закалки, состоит из феррита и мартенсита. Твердость стали при этом, по сравнению с нормально закаленной сталью, пониженная, т.к. феррит – мягкая структурная составляющая не меняющаяся при закалке. Тем не менее, такая структура, состоящая из механической смеси мягких и твердых микрочастиц, хорошо работает в парах трения на износ, особенно при низких рабочих скоростях может использоваться, например, в ручных механизмах машин, как наиболее дешевая. Для получения высокой твердости, необходимо деталь закалить с нормальной температурой закалки.

Чем ближе температура нагрева стали перед закалкой ктемпературе Ас₃, тем меньше в структуре закаленной стали феррита, и наоборот. На шлифе: основное поле – мелко-игольчатый мартенсит (светлые участки); включения разбросанных темных островков – феррит (рис. 5).

 

 

 

Рис. 5. Сталь 45.

 

Неполная закалка. Мартенсит и феррит (х500).

 

 

8. МАРТЕНСИТ ОТПУСКА (шлиф № 7)

 

Структура образуется в результате низкого отпуска (150-200^о) мартенсита закалки и при распаде остаточного (после закалки) аустенита в высокоуглеродистых сталях (свыше 0,6%С). Представляет собой мелко-игольчатый, почти кубический мартенсит, темные иглы на светлом поле. Применяется для снятия внутренних напряжений после закалки на высокую твердость. Чаще всего, для инструмента.

 

 

Рис.6. Сталь 45. х500.

Закалка и низкий отпуск.

Мелко-игольчатый мартенсит отпуска.

(Темные иглы на светлом фоне)

 

9.ТРОСТИТ ОТПУСКА (шлиф № 8)

 

Троостит отпуска получается, в результате среднего отпуска стали закаленной на мартенсит при температуре 350-450⁰.

В данном случае сталь 45 была сначала подвергнута нормальной закалке при 860⁰, в воде, а затем отпущена при 350⁰. В результате отпуска мартенсит, получившийся при закалке, превратился в троостит отпуска.

Структура троостита отпуска состоит из темных частиц феррита (фон) и светлых включений цементита, причем эти частицы настолько мелкие, что даже при самых больших увеличениях микроскопа почти неразличимы (рис.7). Сталь с такой структурой имеет повышенные упругие свойства. Типичные изделия – пружины и рессоры.

 

 

Рис.7. Сталь 45.х500.

Закалка и средний отпуск.

Троостит отпуска

(зернистый).

 

10. СОРБИТ ОТПУСКА (Шлиф №9)

 

Структуру, которая формируется после закалки на мартенсит и высокого отпуска 500-600^оС. Сталь с такой структурой, благодаря сфероидизации цементита, обладает сочетанием прочности и пластичности (почти как у перлита) с повышенной ударной вязкостью. Поэтому такой процесс часто называют «улучшением». Для структуры характерен темный ферритный фон и хорошо видимые светлые округлые зерна цементита (рис.8). Применяется, чаще всего, для изделий, работающих на удар.

 

 

 

Рисунок 8. Сорбит отпуска.

Сталь 45. (х500),

З+ВО – улучшение.

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назвать и охарактеризовать виды закалки.

2. Что такое мартенсит, его свойства, получение и применение.

3. Что такое троостит, его свойства, получение и применение.

4. Что такое сорбит, его свойства, получение и применение.

5. Дефекты закалки, причины их образования и способы устранения.

 

 

Лабораторная работа

 

Микроструктура термически обработанных углеродистых сталей (в неравновесном состоянии)

 

2009г.