Наблюдение микроструктуры в поляризованном свете

1. Поляризатор поместить на оправу осветительной линзы 6 (см. рис. 3.3, а) так, чтобы риска на оправе поляризатора совместилась с риской на оправе линзы;

1. Вкладной анализатор вставить в паз под корпусом иллюминаторного тубуса 11 (см. рис. 3.4).

2. На предметный столик установить специальную шайбу с градусными делениями, с помощью которой поворачивают объектив на столике, что позволяет вести отсчеты углов поворота, необходимые при исследовании в поляризованном свете.

Наб Наблюдение микроструктуры при освещении в темном поле

1. Открыть полностью апертурную и полевую диа­фрагмы.

1. Передвинуть рамку 22 (см. рисунок 1) для включе­ния линзы темного поля 22 (см. рис. 3.3, б).

2. Передвинуть рукоятку 5 (см. рис. 3.4) для включе­ния диафрагмы 23 (см. рис. 3.3, б).

3. Установить в центральное положение апертурную диафрагму и спроектировать на нее нить лампы.

4. Центрировочными винтами 3 (см. рисунок 1) устано­вить нить лампы центрнчно отверстию апертурной диа­фрагмы.

5. В посадочное отверстие иллюминаторного тубуса 11 вставить объектив темного поля.

6. Исследуемый шлиф поместить на подкладку предметного столика.

8. Сфокусировать микроскоп, как указано выше, вести наблюдение.

Лабораторная работа №3

Тема: Термическая обработка стали.

Цель: Научиться выбирать и рассчитывать режимы закалки и отпуска

различных сталей.

Время выполнения: 2 часа

Место выполнения работы: лаборатория «Электроматериаловедение»

Дидактическое и методическое обеспечение:

Инструкционно - технологическая карта, учебная литература

1.Последовательность выполнения работы.

1. Внеурочная подготовка.

1.Повторить тему «Термическая обработка металлов», Л1, стр. 30-34,

Л2, стр. 93-109.

2.Подготовить титульный лист отчета, зарисовать устройство муфельной

печи (рисунок 3).

3.Отразить краткие теоретические сведения о видах термической обработки.

4.Зарисовать график определения интервала закалочных температур.

2. Работа на уроке.

1.Ознакомиться с устройством муфельной печи.

2.Изучить и записать в отчет цвета каления для определения температуры

закалки.

3.Изучить и отразить в отчете цвета побежалости для определения темпера-

туры отпуска.

4.Определить по графику интервала закалочных температур (рисунок 1)

температуру каления сталей 20, 40, 60.

5.Оформить отчет.

2.Методические указания к выполнению работы.

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения стальных деталей с целью изменения их структуры и свойств. Это один из самых распространенных в технике и самых эффективных способов изменения структуры и свойств сталей и сплавов, обусловленных протеканием различных фазовых превращений.

Классификация основных видов термической обработки была разработана академиком А.А.Бочваром. Термическая обработка включает три основных вида: отжиг, закалку и отпуск.

Отжигом называют вид термической обработки, при которой формируются близкие к равновесным структуры материалов, в которых неравновесные состояния возникли в результате предшествующих видов воздействия (литье, ковка, прокатка, сварка и т.п.).

Существуют два основных типа отжига - отжиг первого рода, при котором могут не протекать фазовые превращения, например, рекристаллизационный, и отжиг второго рода, сопровождающийся фазовыми превращениями (полный и неполный отжиги). При отжиге сталь охлаждают очень медленно, обычно вместе с печью.

Закалка — процесс нагрева стали выше точки фазовых превращений на (30-50)°С с последующим быстрым охлаждением. Цель закалки — получение высокой твердости и заданных физико-механических свойств. Способность стали принимать закалку возрастает с увеличением содержания в ней углерода. При содержании углерода менее 0,2% сталь практически не закаливается.

Выбор технологических параметров закалки.

Фактическая скорость печного нагрева определяется температурой, до которой нагрето печное пространство, и массой помещенной в него детали.

Температура закалки определяется исходя из массовой доли углерода в стали и соответствующего ей значения критической точки.

Практически критические точки выбирают по справочникам или по диаграмме состояния "железо - цементит".

Температура нагрева при закалке доэвтектоидных сталей определяется следующим образом: tзак = Ас3+ (30 – 50), °С

Заэвтектоидные и эвтектоидную стали нагреваются при закалке

до температуры: tзак = Ас1+ (30 – 50), °С

Исходя из этого определяется положение оптимального интервала

температур закалки углеродистых сталей на диаграмме состояния Fe–Fe3C (рисунок Продолжительность нагрева и выдержки определяется размерами

и конфигурацией деталей и способом их укладки в печи. Она должна

быть такой, чтобы прошло выравнивание концентрации углерода в аустените. Обычно общее время нагрева и изотермической выдержки составляет

1 - 1,5 мин на мм наибольшего поперечного сечения.

Охлаждение при закалке должно производиться в такой охлаждающей среде, которая обеспечивает скорость охлаждения не менее критической.

Закалочные напряжения складываются из термических и структурных напряжений. При закалке всегда возникает перепад температуры по сечению изделия. Разная величина термического сжатия наружных и внутренних слоев в период охлаждения обуславливает возникновение термических напряжений.

Рисунок 1 - График определения интервала закалочных температур.

Углеродистые стали содержат, наряду с железом и углеродом, постоянные примеси: Мn, Si , S, P и другие элементы, которые смещают положение критических точек.

Поэтому для определения температуры закалки стали используют экспериментальный метод пробной закалки. Сущность метода состоит в том, что из исследуемой стали в отожженном состоянии изготавливают образцы, которые закаливают с различных температур в интервале предполагаемого нахождения критических точек (ниже предполагаемых Ас1 и выше Ас3). Охлаждение образцов производится со скоростью выше критической. Поскольку целью закалки является получение высокой твердости стали, то после закалки на образцах измеряется твердость и по максимальному значению твердости определяется оптимальная температура закалки данной стали.

Скорость охлаждения выше критической при закалке исследуемой в данной работе стали 40 обеспечивает охлаждение в воде. Для изучения влияния скорости охлаждения на твердость стали после закалки проводится охлаждение ее в масле и на воздухе.

Охлаждающая способность этих сред показана в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристика различных закалочных сред.

На практике вид охлаждающей среды выбирают, в основном, в зависимости от назначения деталей, их конфигурации и степени легированности. При оптимальном режиме закалки в интервале температур до изгиба С-образных кривых (рисунок 1) необходимо охлаждать с высокой скоростью, а в интервале температур Мн - МK охлаждать медленно. Такой режим исключает превращение аустенита в феррито-цемен-титные смеси в верхнем интервале температур и уменьшает напряжения при образовании мартенсита.

В связи с тем, что стали по-разному повышают свою твердость при закалке, вводится понятие закаливаемости. Под закаливаемостью понимают способность стали приобретать высокую твердость после закалки. Такая способность зависит главным образом от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость. Объясняется это тем, что с повышением содержания углерода увеличивается число атомов углерода, насильственно удерживаемых при закалке в кристаллической решетке α-железа, т.е. увеличивается перенасыщенность мартенсита и его тетрагональность. В результате возрастают внутренние напряжения, что в свою очередь способствует увеличению числа дислокаций и возникновению блочной структуры. В работе исследуется закаливаемость

стали 40 (0,4 %С), для чего проводится закалка образцов из этой стали с оптимальных (в зависимости от содержания углерода) температур и измеряется их твердость.

Таблица 1 - Температура закалки и твердость закаленных сталей.

Таблица 2 - Продолжительность нагрева и выдержки при

термической обработке.

В случае нагрева выше рекомендованного интервала возможны перегрев стали и снижение механических свойств. Для контроля температуры в печи применяют пирометры. При их отсутствии температуру ориентировочно можно определить по цветам каления. Цвет каления стали в зависимости от температуры изменяется следующим образом

Начало свечения металла 500 Густо-оранжевый 900

Темно-бурый 550 Желтый 1000

Темно-красный 650 Желто-белый 1100

Вишнево-красный 700 Белый 1200

Светло-красный 800 Ярко-белый 1300

Высокие структурные и термические напряжения, а также повышенная твердость и хрупкость стали, закаленной на мартенсит, вызывают необходимость проведения отпуска.

Отпуском называется заключительная операция термической обработки, состоящая в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической АC1, выдержке при этой температуре и последующем медленном или быстром охлаждении. Цель отпуска - уменьшение напряжений в стали, повышение вязкости, пластичности и снижение твердости. В результате отпуска неустойчивые структуры закалки переходят в более устойчивые. В зависимости от температуры различают три разновидности отпуска: низкий, средний и высокий.

При низком отпуске закаленную сталь нагревают до температур 150-250 °С. Под действием повышенной температуры атомы углерода приобретают более высокую подвижность и благодаря этому частично выходят из мартенсита (перенасыщенного твердого раствора в

(α-железе). Они образуют метастабильный карбид Fe2C. При этом внутренние напряжения в кристаллической решетке железа и ее тетрагональность уменьшаются, а, следовательно, снижается склонность к хрупкости закаленной стали.

Образующиеся карбиды имеют малые размеры и металлографически не обнаруживаются.

Образующаяся смесь дисперсных карбидов и мартенсита с пониженным содержанием углерода называется мартенситом отпуска. При температурах выше 200С остаточный аустенит превращается в мартенсит отпуска. Твердость стали сохраняется высокой (у стали с содержанием углерода 0,7% - HRC 59-63). Низкому отпуску подвергают режущий и измерительный инструменты, а также детали после поверхностной закалки и цементации.

При среднем отпуске нагрев закаленной стали производят до температур 300-450 °С.

При этом полностью завершается процесс выделения углерода из пересыщенного твердого раствора и мартенсит превращается в феррит. Карбид Fе2С преобразуется в цементит Fе3С. Образуется структура, состоящая из феррита, в котором равномерно распределены мельчайшие частицы цементита, называемая трооститом отпуска. Средний отпуск уменьшает внутренние напряжения в большей степени, чем низкий отпуск, приводит к значительному снижению твердости (у эвтектоидной стали HRC 45-50) и обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости. Применяется главным образом после закалки пружин и рессор.

При высоком отпуске закаленную сталь нагревают до температур 500-650 °С. Такой нагрев приводит к коагуляции цементитных частиц - мелкие частицы сливаются в более крупные и в результате снижается твердость (HRC 30-45). Феррито-цементитную смесь более грубого строения, чем троостит, называют сорбитом отпуска.

Высокий отпуск почти полностью (на 90-95%) устраняет внутренние напряжения, поэтому его применяют для многих ответственных деталей и инструментов, работающих в условиях динамической нагрузки: валов, шатунов, молотовых штампов и др. Закалка с высоким отпуском одновременно повышает временное сопротивление, предел текучести,

относительное сужение и особенно ударную вязкость.

Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Отпуск выше 650 °С уже не повышает пластичность. Структура стали после такого отпуска состоит из достаточно грубой смеси феррита и цементита, которая называется зернистым перлитом или перлитом отпуска. Таким образом, от неравновесной (метастабильной) структуры мартенсита закалки с повышением температуры отпуска сталь все больше приближается к равновесному состоянию. При этом существенно изменяются и свойства стали.

Следует отметить, что, несмотря на одинаковое название структур (троостит, сорбит, перлит) после отпуска со структурами, полученными непосредственно при распаде аустенита и одинаковую физическую природу (смеси феррита и цементита), структуры после отпуска имеют более высокие механические свойства, так как их строение зернистое, а не пластинчатое.

Рисунок 2 - Механические свойства стали 40 в зависимости

от температуры отпуска.

Широкое применение имеет отпуск по цветам побежалости, которые зависят от температуры нагрева, С:

Светло-желтый 220 Фиолетовый 285

Желтый 230 Темно-синий 295…310

Темно-желтый 240 Светло-синий 315…325

Коричневый 255 Серый 300

Коричнево-красный 265

Муфельная печь — это нагревательное устройство, предназначенное для нагрева разнообразных материалов до определенной температуры. Главной особенностью этой печи является наличие т.н. муфеля, защищающего обрабатываемый материал и являющегося главным рабочим пространством муфельной печи (то есть, муфель предохраняет материал или изделие от контакта с топливом и продуктами его сгорания, в том числе газами).

Устройство муфельной печи.

Рисинок 3 - Электрическая муфельная печь: 1 – муфель, 2 – обмотка, 3 – обмазка, 4 – клеммы заземления,

5 – асбестовая крышка, 6 – керамический элемент, 7 – задвижка дверцы.

Основная часть печи - рабочая камера или муфель 1, выполненный из огнеупорной глины. Его внутренние размеры 210x105x75 мм. толщина стенок - 10 мм.

Чтобы обмотка 2 не раскручивалась, первый и последний витки закорачивают. А чтобы не произошло замыкания, зазоры между витками тщательно промазывают глиной 3. Когда она подсохнет, делают вторую обмазку толщиной 10-15 мм глиной в смеси с асбестовой крошкой.

Нагревательный элемент печи помещен в металлический корпус, изготовленный из стального листа миллиметровой толщины. Размеры корпуса 270x180x180 мм. Для удобства сборки он изготовлен со съемными передней и задней крышками, которые крепят на винтах. К передней крышке крепят на петле дверцу, которая должна откидываться горизонтально.

На дверце при помощи двух болтов через асбестовые прокладки устанавливают керамический элемент 6, зазоры заделывают глиной. Концы нихромовой проволоки выведены к задней крышке корпуса. На оба вывода нанизаны керамические изолирующие "бусы". Проволока присоединена к штыревому разъему.

К разъему присоединен стандартный шнур с вилкой для включения в электросеть. Все свободное пространство между нагревательными элементами и корпусом плотно забито асбестовой крошкой. Кроме того, в конструкции печи предусмотрена клемма заземления 4 корпуса.

Для удобства работы в нагревательной камере сделано небольшое отверстие на дверце - для наблюдения за внутренним пространством печи во время работы. Отверстие снабжено закрывающейся металлической шторкой. На дно рабочей камеры уложена пластина-подкладка из тонкой нержавеющей стали. Печь рассчитана на 220 В переменного тока. Она разогревается до максимальной температуры всего в течение часа и в сравнении с серийной школьной муфельной печью на 1 кВт-ч менее энергоемка. Вес ее около 10 кг.