Мікроаналіз сталей після термічної та хіміко-термічної обробки

2 3 4 5 6 7 8

МЕТА РОБОТИ:

Вивчення структури термічно обробленої цементованої вуглецевої стали.

ЗАВДАННЯ:

розглянути під мікроскопом, замалювати й описати мікроструктуру загартованих і відпущених сталей;

розглянути під мікроскопом, замалювати й описати мікроструктуру поверхневого шару стали після цементації.

знаючи марку й твердість досліджуваної сталі, визначити приблизний режим термообробки.

ОБЛАДНАННЯ:

металографічний мікроскоп МІМ-7;

набір мікрошліфів термічно оброблених сталей із зазначенням марки сталі й вмісту вуглецю;

мікрошліфи стали після цементації.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ

Всі перетворення в сплавах, що відбуваються по діаграмі залізо-вуглець, протікають при повільному охолодженні; вони встигають завершитися при температурах, зазначених у діаграмі, внаслідок чого утворюються рівноважні структури. Швидкість охолодження при термічній обробці має велике значення.

Аустеніт при швидкому безперервному охолодженні розпадається з утворенням наступних структур: сорбіту, троостит і мартенситу.

Структура стали, що утворюється після термообробки, залежить не тільки від швидкості охолодження, але й від температури нагріву.

Якщо правильно підібрати температуру нагрівання й достатню швидкість охолодження доевтектоїдні й евтектоїдні стали після гартування мають структуру дрібноігольчатого мартенситу з рівномірно розташованими по всьому полю голками, а заевтектоїдна сталь має структуру - мартенсит і цементит. Така сталь має високу твердість (600-650 НВ) і відносно низьку в'язкість.

При нагріві доевтектоїдної сталі до температур в інтервалі між точками А₁ і А₃ у її структурі присутні феррит і аустеніт. При наступному швидкому охолодженні аустеніт розпадається на мартенсит, а ферит зберігається в структурі стали, тим самим знижуючи її твердість. Тому доевтектоїдні сталі нагрівають до температури на 30-50ºС вище точки А₃.

При гартуванні заевтектоїдної стали від температури вище точки А₃ і охолодженні з тією ж швидкістю відбувається утворення структури крупнокристаллічного мартенситу й значної кількості залишкового аустеніту. Така структура буде мати більш низьку твердість через розчинення надлишкового цементиту й присутності залишкового аустеніту. Крім того нагрів сталі вище критичної точки А₃ небезпечний, тому що сприяє збільшенню зерна, виникненню великих гартівних напруг.

Тому заевтектоїдні сталі піддають неповному гартуванню, тобто від температури вище точки А₁. До цієї ж температури при гартуванні нагрівають евтектоїдну сталь.

Відпуском називають процес термічної обробки, що складається в нагріві стали до температури нижче точки А₁з метою перетворення не рівноважної структури стали в більш рівноважну. Основним фактором, що визначає структуру сталі після відпуску є температура нагріву. Залежно від цієї температури розрізняють три види відпуску: низький, середній і високий.

Структура стали У8 після загартування й низького відпуску - мартенсит відпуску (рисунок 12)

Рисунок 12 - Мікроструктура стали У8 після термообробки

Структура стали 70 після гартування й середнього відпуску - тростит відпуску (рисунок 13). Це дисперсна ферритно-цементитна суміш, що утворюється в результаті перетворення мартенситу загартованої сталі при нагріві до температури 350-450ºС.

Рисунок 13 - Мікроструктура стали 70 після термообробки

Структура стали 75 після загартування й високої відпуску - сорбіт відпуску (рисунок 14). Це ферритно-цементитна суміш більш грубої структури, ніж троостит, що утвориться в результаті перетворення мартенситу загартованої сталі при нагріві до температури 500-680ºС.

Рисунок 14 - Мікроструктура стали 45 після термообробки

Одним з найпоширеніших видів хіміко-термічної обробки є цементація. Це процес насичення вуглецем поверхневого шару деталі до вмісту вуглецю С=0,8-1,1% шляхом нагріву без доступу повітря при температурі вище критичної точки А₃ у середовищі вуглецю або газів, що містять вуглець.

Цьому виду ХТО піддають низько вуглецеві стали (С≤0,25%) конструкційні сталі.

Цементацію застосовують для одержання високої твердості поверхневого шару при збереженні м'якої й в’язкої серцевини, а також для підвищення зносостійкості й межі утоми сталевих деталей, що досягають термічною обробкою після цементації.

Оскільки в цементованій деталі вміст вуглецю зменшується від поверхні до центру, то у зв'язку з такою зміною хімічного складу утворюються наступні зони структурних складових (рисунок 15):

1. Заевтектоїдна - глибиною до 0,6мм, що містить 0,8-1,1% вуглецю й складається з перліту й цементиту;

2. Евтектоїдна - глибиною до 1мм, що містить 0,8% вуглецю й складається з перліту;

3. Доевтектоїдна - глибиною більш 1 мм і складається з перліту й фериту.

Ближче до серцевини деталі вміст вуглецю буде знижуватися, а отже, у структурі стали буде зменшуватися кількість перліту й збільшуватися кількість фериту.

Поверхневий шар набуває найкращі властивості при вмісті вуглецю в межах 0,9-1%. При більш високому вмісті вуглецю поверхневий шар стає зайво тендітним; при меншому вмісті - не можна одержати високої твердості після гартування. Твердість цементованих деталей після термічної обробки з поверхні становить HRC 58-62, а в середині HRC25-30.

Глибиною цементованого шару варто вважати суму заевтектоїдної, евтектоїдної і половину перехідної (доевтектоїдної) зон.

Рисунок 15 - Структура цементованої сталі від поверхні в глибину

Результати досліджень занести до протоколу.

Протокол №1 – Мікроаналіз сталей після ВТО та ХТО

№	Марка сталі	Найменування сталі	С, %	НRС	Зміст термообробки	Схема мікроструктури та її описання	Приклади використання