626

669 Т462

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Л.Б. ТИХОМИРОВА, Е.В. САМОЙЛОВА

МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ РАЗЛИЧНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплинам «Материаловедение», «Конструкционные материалы»

НОВОСИБИРСК 2010

Тема: МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ РАЗЛИЧНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Цельработы:спомощьюмикроструктурногоанализаизучить структуру углеродистых сталей после различных видов термической обработки.

1.Краткие теоретические сведения

1.1.Влияние скорости охлаждения на структуру углеродистых

сталей

В равновесном состоянии (после отжига) в структуре углеродистых сталей типичной структурной составляющей является перлит. В зависимости от режима отжига перлит имеет пластинчатое или зернистое строение.

Пластинчатым перлитом называют эвтектоидную смесь ферритаицементита, вкоторойвкристаллах ферритаравномерно распределены чаще всего слегка изогнутые, параллельно расположенные кристаллы цементита.

Есликристаллы цементитаотносительнонебольшойтолщины (тонкопластинчатый перлит), то при небольших увеличениях пластинчатое строение не выявляется, тогда перлитные колонии имеютвидтемныходноцветныхзерен.Однакопризначительных увеличениях (в 500–1000 раз) пластинчатое строение перлита всегда выявляется (рис. 1).

Рис. 1. Структура пластинчатого перлита стали У8, 1000

3

Зернистым перлитомназываютэвтектоидную смесьферрита

ицементита, в которой в зернах феррита равномерно распределены глобулярные кристаллы цементита.

Строениезернистогоперлитахорошовыявляетсяприсредних (300–400 раз) и небольших (в 150–250 раз) увеличениях.

Твердость пластинчатого перлита составляет 180–220 НВ, а зернистого перлита 150–170 НВ.

Перлитная составляющая структуры наблюдается нетолько в отожженной, но и в нормализованной углеродистой стали.

Пластинчатый перлит нормализованной стали имеет более тонкое строение и для выявления пластинчатости строения требуется значительное увеличение(в 500раз иболее). Размеры колоний перлита в сталях после нормализации меньше, чем после отжига.

Вдоэвтектоидных сталях после отжига или нормализации помимо перлитавструктуре всегда присутствуютзернаизбыточного феррита. Форма и размер зерен феррита, а также характер их распределения определяются режимом термической обработки, температурой нагрева и скоростью охлаждения.

Примедленномохлажденииизаустенитногосостояния(условия отжига) феррит образует в структуре стали равновесные равномерно распределенные зерна (рис. 2, а).

При ускоренном охлаждении (нормализация) центры кристаллизации феррита успевают зарождаться лишь на границах аустенитных зерен, в связи с чем возникает ферритная составляющая, внутри которой заключены участки тонкопластинчатого перлита (рис 2, б).

Если доэвтектоидная сталь была нагрета до температуры

значительно выше критической точки АС3, например до 1000– 1100 °С, т.е. перегрета, то происходит значительный рост зерен,

ипри последующем медленном охлаждении образуется так называемаявидманштеттоваструктура(рис.3),характерная выделением феррита в виде крупных игл (пластин), расположенных внутри перлита под углом друг к другу с образованием треугольников.Механические свойства(особенно вязкость) стали с такой структурой низкие.

4

а)

б)

Рис. 2. Структура доэвтектоидной стали:

а — после отжига, 500; б — после нормализации, 500

Рис. 3. Видманштеттова структура доэвтектоидной стали, 100

5

В заэвтектоидной стали после нагрева до температуры АС1 + (20…30 °С) и последующего медленного охлаждения вместе с печью образуется структура, состоящая из цементита и перлита; если цементит перлита и вторичный находятся в виде зерен, то такой перлит называется зернистым (рис. 4).

При недогреве образуются смешанные структуры зернистого и пластинчатого перлита (рис. 5).

Рис. 4. Структура зернистого перлита стали У10, 100

Рис. 5. Структура смешанного перлита, 300

В заэвтектоидных сталях, прокатка которых была закончена при излишне высоких температурах, микроструктура состоит из крупных темных зерен перлитаисветлойсеткицементита(рис. 6).

6

Рис. 6. Структура заэвтектоидной стали, 300

Кроме того, перегретая заэвтектоидная сталь может иметь видманштеттову структуру. В этом случае цементит вторичный выделяется в виде крупных игл.

Нормализация заэвтектоидной стали (нагрев выше АСm на 30…50 °С и охлаждение на воздухе) приводит к уменьшению зерен перлита по сравнению с горячекатаным состоянием.

1.2.Структура углеродистых сталей после закалки

Взависимости от скорости охлаждения стали из аустенита могут сформироваться различные структуры (рис. 7).

Рис. 7. Структурная диаграмма превращения аустенита при непрерывном охлаждении стали с 0,8 % углерода

7

Сорбитзакалки (Сзак) — тонкопластинчатаясмесь ферритаи цементита, образуется, как правило, при охлаждении водовоздушной смесью с малой порцией воды (скорость v2). Твердость сорбита HRC ~ 30 (рис. 8, а).

Троостит закалки (Тзак) — дисперсная смесь феррита и цементита, образуется при охлаждении углеродистой стали в масле (скорость v3). Твердость троостита HRC ~ 40 (рис. 8, б).

а)

б)

Рис. 8. Структуры стали У8 после ускоренного охлаждения: а — сорбит закалки, 500; б — троостит закалки, 500

Поскольку перлит, сорбит закалки и троостит закалки представляют собой смеси феррита и цементита, их называют структурами перлитного типа.Структуры перлитного типа, получаемые в результате распада аустенита, имеют пластинчатое строение кристаллов цементита.

8

Мартенситзакалкипредставляетсобойпересыщенныйтвердый раствор углерода в -железе.Мартенсит образуется бездиффузионным путем,когдаскорость охлаждениянастолько велика (охлаждение в воде v4), что аустенит переохлаждается до температуры примерно 200 °С и диффузионные процессы в нем тормозятся. При этом решетка железа перестраивается из Fe- в Fe- , а атомы углерода остаются в решетке -железа. Пересыщенность твердого раствора углеродом вызывает искажение кристаллической решетки.

Мартенсит имеет тетрагональную решетку и отличается высокой твердостью и хрупкостью.

Минимальнаяскоростьохлаждения(v4),прикоторойобразуетсямартенситбезструктурперлитноготипа,называетсякрити-

ческой скоростью закалки.

Чем больше углерода было в аустените, тем большую степень тетрагональности имеет кристаллическая решетка мартенсита, тем выше твердость закаленной стали.

Кристаллы мартенсита имеют форму тонких линзообразных пластин. Произвольное сечение мартенситных пластин плоскостью шлифа при микроисследовании создает впечатление игольчатой формы кристаллов мартенсита.

Мартенситные кристаллы, располагаясь вдоль определенных кристаллографических плоскостей аустенита, обычно ориентируются одни по отношению кдругим под определеннымиуглами

60° и 120° (рис. 9).

Рис. 9. Мартенсит закалки, 500

9

Размеры кристаллов мартенсита определяются размером исходного зерна аустенита. Чем крупнее зерно аустенита, тем больше протяженность игл мартенсита. В связи с этим чем выше температуранагревастали подзакалку, тембыстреерастетзерно аустенита и тем крупнее будут кристаллы мартенсита. Такая крупноигольчатая структура мартенсита закалки приведет к повышенной хрупкости.

Поэтому доэвтектоидные стали нагревают только на 30–50 °С выше линии АС3.Доэвтектоидные стали, закаленные соптимальной температурой, имеют максимальную твердость. Структура их состоитиз мелкоигольчатого мартенсита иследов остаточного аустенита, который различим лишь при очень больших увеличениях.

В инструментальных сталях, которые закаливаются с более низкихтемператур (АС1 +30…50 °С),кристаллымартенситаеще мельче ичасто едва различимы под микроскопом дажепри очень больших увеличениях.

Инструментальные углеродистые стали после закалки с оптимальнойтемпературынагреваимеютструктурумелкокристаллического мартенсита с равномерно распределенными зернами избыточного вторичного цементита и небольшими участками аустенита остаточного. Присутствующие мелкие включения вторичного цементита повышают твердость, улучшают режущие свойства и износостойкость стали.

Нагревать выше линии АСm заэвтектоидные стали нельзя, так как при этом вторичный цементит растворяется в аустените и не успевает выделиться при быстром охлаждении. Кроме того, увеличиваются количество остаточного аустенита и внутреннее напряжение.

1.3. Структура углеродистых сталей после отпуска

Отпуск — это вид термической обработки, состоящий из нагрева закаленной стали до температур ниже АС1, выдержки и последующего охлаждения на воздухе. Отпуск производится с целью уменьшения внутренних напряжений и получения более равновесных структур.

При низкотемпературном отпуске (120–250°С) уменьшается степень тетрагональности решетки мартенсита. Это связано с

10