Технология конструкционных материалов. Часть I. Материаловедение: Лабораторный практикум

Федеральное агентство по образованию Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

В. Е. ГОРДИЕНКО, Е. Г. ГОРДИЕНКО, С. А. СТЕПАНОВ, Ю. В. КНЫШЕВ, А. П. ОРЛОВ, Л. И. ЖИГАРЬ

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Часть I МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Учебное пособие

Санкт-Петербург 2009 1

УДК 621.791.07 Рецензенты: д-р техн. наук, профессор И. А. Иванов (ПГУПС); канд. техн. наук, доцент В.А. Норин (СПбГАСУ)

Гордиенко, В. Е. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие: лабораторный практикум / В. Е. Гордиенко, Е. Г. Гордиенко, С. А. Степанов, Ю. В. Кнышев, А. П. Орлов, Л. И. Жигарь; СПбГАСУ. – СПб., 2009. – Ч. I. Материаловедение. – 64 с. ISBN 978-5-9227-0166-2 Приведены указания по выполнению семи лабораторных работ, описаны структурные превращения в железоуглеродистых сплавах после охлаждения с различными скоростями и их влияние на свойства, рассмотрены способы определения механических свойств металлов и сплавов. Пособие предназначено для студентов строительных специальностей. Табл. 10. Ил. 19. Рекомендовано Редакционно-издательским Советом СПбГАСУ в качестве учебного пособия

ISBN 978-5-9227-0166-2

ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящий практикум рассчитан на студентов строительных специальностей, изучающих дисциплину «Технология конструкционных материалов». Целью лабораторных работ является практическое ознакомление с диаграммой состояния железо–цементит, структурными превращениями в сталях и их влиянием на механические свойства. Перед выполнением работ в лаборатории студенты должны ознакомиться с правилами техники безопасности. К выполнению лабораторной работы допускаются только подготовленные студенты, предварительно изучившие теоретический материал по учебнику и настоящему практикуму. В ходе выполнения лабораторных работ студенты группами по 4–6 человек под руководством преподавателя или учебного мастера изучают структуру железоуглеродистых сплавов, влияние режимов термической обработки на механические свойства сталей и самостоятельно проводят экспериментальные исследования. По окончании лабораторной работы каждый студент индивидуально оформляет отчет о проделанной работе, который должен содержать исчерпывающие текстовые и графические ответы на поставленные вопросы. Работа считается выполненной после защиты ее у преподавателя.

© В. Е. Гордиенко, Е. Г. Гордиенко, С. А. Степанов, Ю. В. Кнышев, А. П. Орлов, Л. И. Жигарь, 2009 © Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2009

2

3

Лабораторная работа № 1 ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО–ЦЕМЕНТИТ Цель лабораторной работы – изучение диаграммы состояния и структурных превращений в углеродистых сталях. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) ознакомиться со взаимодействием железа и углерода в жидком и твердом состоянии и со строением фаз, возникающих при их сплавлении; 2) ознакомиться с диаграммой состояния железо–цементит; 3) научиться, пользуясь диаграммой состояния, анализировать формирование структуры сплавов при охлаждении из жидкого состояния и изменение структуры в зависимости от состава сплавов. Оснащение участка лабораторной работы: материалы – плакат с диаграммой состояния железо–цементит, плакат с кривой охлаждения чистого железа. 1. Основные понятия теории сплавов Чистые металлы имеют низкую прочность и невысокие технологические свойства, поэтому в технике обычно применяют их сплавы. Сплав – это вещество, полученное преимущественно сплавлением двух и более элементов (компонентов). В качестве компонентов могут быть как металлы, так и неметаллы. Компонент, преобладающий в сплаве, называется основным. Компоненты, введенные в сплав для придания ему нужных свойств, называются легирующими. Металлические сплавы в жидком состоянии, как правило, однородны и представляют одну фазу. Фазой называют однородную по химическому составу, кристаллическому строению и свойствам часть системы, отделенную поверхностью раздела от других частей системы, при переходе через которую структура, свойства или состав вещества изменяются скачкообразно. Система – совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (давление, температура и т. д.). При переходе сплавов из жидкого состояния в твердое в них может образовываться несколько фаз. 4

Процесс перехода сплава из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллических решеток называется первичной кристаллизацией. Свойства сплавов в твердом состоянии зависят от образовавшейся структуры. Структура – это взаимное расположение фаз в сплаве, их форма и размеры. Структурные составляющие сплава – это обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение и характерные свойства. 2. Железо и углерод, их строение и взаимодействие Сплавы железа с углеродом являются наиболее распространенными металлическими материалами, применяемыми в строительстве. Железо – основной компонент системы железо–углерод является металлом серебристо-серого цвета с температурой плавления 1539 °С. Плотность железа составляет 7870 кг/м3, временное сопротивление при растяжении 250 МПа, твердость 60...90 НВ, относительное удлинение 30...50 %. Железо относится к числу элементов, которые при нагревании (охлаждении) претерпевают аллотропические превращения. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма, или аллотропии. Перестройка кристаллических решеток при критических температурах называется полиморфным превращением. Эти превращения можно рассматривать на кривой охлаждения (рис. 1.1). Критическая точка 1539 °С – температура затвердевания железа (на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка). При затвердевании образуется железо с объемно-центрированной кубической решеткой (ОЦК), называемое -железом. Такое кристаллическое строение железа сохраняется до температуры 1392 °С. Высокотемпературная модификация железа в интервале температур 1539…1392 °С иногда обозначается как -железо. Критическая точка 1392 °С – температура аллотропического превращения. Объемно-центрированная кубическая решетка -железа переходит в гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) -железа. Ее обозначают Ас4 (при нагреве) и Аr4 (при охлаждении). На кривой охлаждения также будет наблюдаться горизонтальная площадка. 5

щения -железа в -железо. Ее обозначают Ас3 (при нагреве) и Аr3 (при охлаждении). Критическая точка 768 °С – температура магнитного превращения, не связанного с перестройкой кристаллической решетки. Данную точку называют точкой Кюри и обозначают А2. Выше температуры 768 °С -железо немагнитно, а ниже 768 °С – магнитно. Углерод – типичный неметалл. Он может существовать в виде алмаза и графита. В сплавах с железом свободный (элементарный) углерод существует только в виде графита. Графит имеет слоистую структуру – гексагональную пространственную решетку с отношением с/a около 2,5. При сплавлении железа с углеродом возникают различные фазы.

Жидкий раствор углерода в железе (Ж). В жидком состоянии углерод и железо неограниченно растворимы друг в друге, в растворе углерод статистически равномерно распределен между атомами железа, но вблизи атомов углерода образуются октаэдрические комплексы – атом углерода окружен шестью атомами железа, образующими октаэдр (это играет решающую роль в процессе кристаллизации, о чем будет сказано ниже). Обе модификации железа ( -железо и -железо) способны растворять углерод, образуя твердые растворы внедрения. Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в -железе. Растворимость углерода в -железе при нормальной температуре составляет 0,006 %. Максимальная растворимость углерода в -железе достигается при температуре 727 °С и составляет 0,025 %. Феррит является самой мягкой структурной составляющей железоуглеродистых сплавов. Твердость феррита 80...100 НВ. Аустенит -железе. Максимальная растворимость углерода в -железе при температуре 1147 °С составляет 2,14 %. При понижении температуры растворимость углерода в -железе уменьшается и при температуре 727 °С составляет 0,8 %. Максимальная растворимость углерода в -железе принята за границу между сталью и чугуном. Сплавы с содержанием углерода менее 2,14 % называются сталями, а с бóльшим – чугунами. Аустенит обладает высокой пластичностью ( = 40...50 %), низкими пределами текучести и прочности. Твердость его составляет 180...200 HB. Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C), содержит 6,67 % С. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Он характеризуется высокой твердостью (более 800 HB). Температура плавления цементита точно не установлена и принимается равной 1250 °С. При сплавлении железа с углеродом возникают следующие структурные составляющие. Перлит (П) – механическая смесь (эвтектоид) пластинок феррита и цементита, содержащая 0,8 % углерода. Он образуется при температуре 727 °С в результате распада аустенита в процессе его охлаждения. Перлит может быть пластинчатым и зернистым, что определяет его механические свойства. Твердость перлита 160...200 HB. Ледебурит (Л) – механическая смесь (эвтектика) пластинок аустенита и цементита. Образуется в результате кристаллизации жидкого рас-

6

7

L

1539

1500 1400

1392

Немагнитно

t, qС

D

1300 1200 1100 1000 900

J 911 768

800 700

D

600 Магнитно

500 400 300 200 100 Время, с Рис. 1.1. Кривая охлаждения железа

Диаграмма состояния – это графическое изображение фазового состояния всех сплавов данной системы в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Обычно диаграммы строятся для равновесных условий и могут характеризовать процессы, происходящие в сплавах при малых скоростях нагрева и охлаждения. Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния железо–углерод (цементит). Основы изучения железоуглеродистых сплавов были заложены знаменитым русским ученым Д. К. Черновым, который в 1868–1869 гг. опубликовал первую работу на эту тему. В результате этих и других работ мы располагаем в настоящее время диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов, позволяющей судить о строении сплавов в зависимости от состава

и температуры, изучать возможные изменения в строении и свойствах железоуглеродистых сплавов в случаях неизбежного или необходимого отклонения от условий равновесия. Диаграмма состояния сплавов железо–углерод необходима: для установления правильных условий литья деталей (температуры плавления и заливки сплава, литейных свойств сплава); для назначения оптимальных режимов горячей деформации металлов (ковки, штамповки, прокатки); для назначения различных режимов термической и химико-термической обработки деталей из стали и чугуна; при разработке технологии сварки. Наиболее простым методом построения диаграмм является термический метод, при котором фазовые превращения в сплавах, как правило, сопровождаются тепловым эффектом, т. е. выделением или поглощением тепла. На температурных кривых, характеризующих процесс нагрева или охлаждения сплава, тепловой эффект проявляется в виде остановки (площадки) или точек перегиба, которые указывают на изменение скорости охлаждения. Остановка на кривой свойственна обычно превращению при постоянной температуре, перегиб – превращению в температурном интервале. Таким образом, по остановкам или перегибам на кривых охлаждения можно установить температуры начала и конца фазовых превращений, т. е. определить так называемые критические точки. Температурные остановки на кривой охлаждения железа 1539, 1392, 911 и 768 °С являются критическими точками. Существуют два вида диаграмм состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильные, изображенные сплошными линиями, характеризующие превращения в системе железо–карбид железа (цементит Fe3C), и стабильные, изображенные штриховыми линиями, характеризующие превращения в системе железо–графит. Наибольшее практическое значение имеет метастабильная диаграмма состояния, так как она описывает строение сталей и белых чугунов, а по системе железо–графит формируется структура лишь серых чугунов. На рис. 1.2 приведена упрощенная диаграмма состояния железо– цементит без детального изображения высокотемпературного перехода Fe Fe . Диаграмма состояния строится в координатах температура– концентрация и является обобщенным результатом большого количества экспериментальных кривых охлаждения.

8

9

плава, содержащего 4,3 % С при температуре 1147 °С. Твердость ледебурита 600...700 НВ. Он очень хрупок. Так как при температуре ниже 727 °С аустенит превращается в перлит, то ледебурит ниже температуры 727 °С состоит из перлита и цементита. В процессе охлаждения при содержании углерода в сплавах выше предела растворимости он может выделяться в виде графита. Чаще всего он присутствует в высокоуглеродистых сплавах – чугунах, когда при кристаллизации из жидкого раствора флуктуации состава могут обеспечить образование зародышей и рост его кристаллов. В малоуглеродистых сплавах для образования кристаллов графита нужны очень большие флуктуации состава и при обычно достигаемых скоростях охлаждения возникает интерметаллидная фаза – Fe3C. Соединение Fe3C имеет ромбическую пространственную решетку, составленную из октаэдров, в вершинах которых находятся ионы железа, в центре – ион углерода. Соединение Fe3C метастабильно, при длительном нагревании оно разлагается на железо и графит, при высоких температурах этот процесс идет очень быстро, что не позволяет точно определить температуру плавления цементита. В твердых растворах и в цементите атомы железа и углерода положительно ионизированы, т. е. углерод ведет себя подобно металлу, поэтому все эти фазы (Ф, А, Ц) имеют металлическую природу и обладают металлическими свойствами. Таким образом, в твердом состоянии железоуглеродистых сплавов могут существовать четыре фазы: феррит, аустенит, цементит и графит (Г). 3. Диаграмма состояния железо–цементит

5 E

2 2,14

3

50

П + Л + ЦII

5

3 4

x

4

А + Л + Ц II

C

С II

3 2

1

о

1147 С

Ж 4,3 % С o А 2,14 % С + Ц 6,67 % С ;

(1.1)

GS – линия начала перехода аустенита в феррит; SE – линия предельной растворимости углерода в -железе. Цементит, выделяющийся из аустенита, вследствие уменьшения растворимости углерода в нем при понижении температуры называется вторичным цементитом (ЦII), в отличие от цементита первичного (ЦI), получаемого при кристаллизации жидкости; PSK – линия эвтектоидного или перлитного превращения. По этой линии аустенит с концентрацией углерода 0,8 % переходит в перлит по реакции о

727 С

А 0,8 % С o Ф 0,025 % С + Ц 6,67 % С ;

(1.2)

S

Ф+П

5

x

Ф + ЦIII

400

Ф

600

А+Ф

911

1000

1200

1400

Q

P

x x

I

G

A 1539

800

10

0

4

3

2

III

1

А

II

2

I

0,8 1

П + ЦII

3

I

x

I

А + Ц II

А+ Ж

Рис. 1.2. Упрощенная диаграмма железоуглеродистых сплавов

Fe3C, %

C, %

6 Л+ЦI 5

Л+Ц I 3

2

100

KI K

F

I

F

Ж+ЦI

DI D 1 II Жидкость (Ж) I

На диаграмме указаны: ACD – линия ликвидуса, т. е. линия начала первичной кристаллизации. Выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии; AECF – линия солидуса (линия конца первичной кристаллизации). Ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии. Между линиями ликвидуса и солидуса имеются кристаллы твердой фазы и жидкий раствор. В процессе кристаллизации сплавов по линии ликвидуса изменяется концентрация жидкой фазы, а по линии солидуса – концентрация твердой фазы; ECF – линия эвтектического превращения. По этой линии происходит реакция

GP – линия окончания аллотропических превращений в сплавах. По этой PQ – линия предельной растворимости углерода в -железе; GS – совокупность верхних критических точек для доэвтектоидной стали А3, обозначаемых при нагреве Ас3, а при охлаждении Аr3; SE – совокупность верхних критических точек для заэвтектоидной стали, обозначаемых соответственно Асm или Arm; PSК – совокупность нижних критических точек для всех сплавов, обозначаемых соответственно Ас1 или Аr1; S – эвтектоидная точка; С – эвтектическая точка. 11

4. Классификация железоуглеродистых сплавов Все сплавы подразделяются на три группы: техническое железо, стали и чугуны. Классификация основана на структуре сплавов. Техническим железом называются сплавы, содержащие углерод менее его предельной растворимости в -железе, т. е. менее 0,025 % (точка Р на диаграмме). В их структуре имеется или только феррит (если содержание углерода менее 0,006 %), или феррит с небольшим количеством третичного цементита (при содержании углерода более 0,006 %, но менее 0,025 %). В сталях содержание углерода больше его предельной растворимости в -железе, но менее предельной растворимости в -железе. По структуре стали делятся на три группы: доэвтектоидные с содержанием углерода от 0,025 до 0,8 %; эвтектоидные с содержанием углерода 0,8 %; заэвтектоидные с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 %. В чугунах содержание углерода больше его растворимости в -железе (точка Е). Чугуны делятся также на три группы: доэвтектические с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %; эвтектические с содержанием углерода 4,3 %; заэвтектические c содержанием углерода от 4,3 до 6,67 %. Структурный признак чугунов – наличие эвтектической составляющей – ледебурита.

распад аустенита на эвтектоидную смесь графита и феррита происходит при 738 °С, и эвтектоидная точка соответствует содержанию 0,69 % углерода. Высокоуглеродистые сплавы, содержащие в структуре элементарный графит, называются серыми чугунами. Другие фазовые превращения в системе железо–графит аналогичны соответствующим превращениям в системе железо–цементит. Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Диаграмма состояния (конспективно). 3. Определение основных линий для диаграммы, а также фаз (аустенит, феррит, цементит) и структурных составляющих (перлит, ледебурит). 4. Классификация железоуглеродистых сплавов.

5. Стабильная диаграмма состояния системы железо–графит и серые чугуны Образ диаграммы (см. рис. 1.2) состояния железо–графит практически мало отличается от образа диаграммы железо–цементит. Различие заключается в следующем: линия солидус графита D идет круче солидуса цементита CD; эвтектическая реакция ЖС А + Г имеет место при температуре 1153 °С, образующаяся при этом смесь двух фаз называется графитной эвтектикой; предельная растворимость графита в -железе несколько меньше (2,03 % – точка Е); 12

13

Таблица 2.1

Лабораторная работа № 2 МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СТРОЕНИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ Цель лабораторной работы – изучение структуры и свойств конструкционных строительных сталей. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) ознакомиться с классификацией и назначением строительных сталей; 2) изучить строение углеродистых сталей в равновесном состоянии и установить связь между микроструктурой и свойствами стали. Оборудование участка лабораторной работы: оборудование – металлографические микроскопы МИМ-6, МИМ-7, ММУ-3 и МЕТАМ РВ-22; материалы – коллекция микрошлифов углеродистых сталей в равновесном состоянии; плакаты – диаграммы состояния железоуглеродистых сталей, классификация и свойства углеродистых и легированных строительных сталей; справочная литература – стандарты, справочники. 1. Классификация строительных сталей по прочности и области их применения

,

,,

,,,

Предел текучести (не ниже), МПа

Марка стали по действую– щим стандартам или ТУ

С235

235

Ст3кп2, 18кп

С245

245

Ст3пс6, Ст3сп5, 18пс

С255

255

Ст3Гпс5, Ст3Гсп6, 18Гсп

С275

275

Ст3пс6

С285

285

Ст3сп5, Ст3Гсп5

С345

345

09Г2С, 12Г2С, 14Г2

С345Т

345

15ХСНТ, Ст3Тпс

С345К

345

10ХНДП

С375, С37Д

375

12Г2С, 12Г2СД

С390, С390Д

390

14Г2АФ,10Г2С1,10ХСНД

С390К

390

15Г2АФД

С440

440

16Г2АФ

С590

590

12Г2СМФ

С590К

590

12ГН2МФАЮ

Класс стали

Строительные стали в зависимости от уровня прочностных свойств до 290 МПа), т стали повышенной прочности ( т от 290 до 440 МПа) и стали высокой прочности ( т от 440 МПа и выше). В табл. 2.1 приведены условные обозначения классов строительных сталей по ГОСТ 277–72, максимальные значения предела текучести и некоторые марки сталей, соответствующие каждому классу. Выбор марок сталей для строительных конструкций осуществляют на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа в соответствии с рекомендациями строительных норм и правил (СНиП II–23–81).

Рекомендации СНиП учитывают различия в условиях работы конструкций, которые делятся на четыре группы. 1. Сварные строительные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях и подвергающиеся непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок (балки рабочих площадок, элементы конструкций бункерных и разгрузочных эстакад, пролетные строения транспортных галерей и т. д.). Для этой группы рекомендуется сталь С345 марок 09Г2С, 10Г2СД, 15ХСНД и С390 (10ХСНД и термоупрочненная 10Г2С). Применять высокопрочные стали с т > 440 МПа, более склонные к хрупкому разрушению, не рекомендуется. 2. Сварные конструкции, находящиеся под непосредственным воздействием динамических и вибрационных нагрузок, кроме перечисленных в группе I (пролетные строения и опоры транспортных галерей и т. д.),

14

15

óñëî âí î êëàññèô èöèðóþ ò í à ñòàëè î áû ÷í î é ï ðî ÷í î ñòè (

а также конструкции и их элементы, указанные в группе I, при отсутствии в них сварных соединений. При умеренно низких температурах (до – 30 °С) применяются стали обычной и повышенной прочности 09Г2С, 10Г2С, 10Г2СД, 15ХСНД, 10ХСНД, 14Г2АФ и высокопрочные стали 16Г2АФ, 15Г2АФ. При рабочих температурах ниже – 30 °С применять высокопрочные стали не рекомендуется. 3. Сварные конструкции либо их элементы, работающие при статических нагрузках (колонны, стойки, опорные плиты, элементы настила перекрытий и т. д.). При температуре выше –30 °С применяют стали обычной, повышенной и высокой прочности марок 14Г2, 14Г2АФ, 12Г2СМФ. Для температуры ниже –40 °С применение высокопрочных сталей С440 и С590 не рекомендуется; 4. Вспомогательные конструкции зданий и сооружений (связи, лестницы, трапы, ограждения т. д.), а также конструкции и их элементы группы III при отсутствии сварных соединений. Для них рекомендуются углеродистые стали обычной прочности и низколегированные стали повышенной прочности марок 09Г2С, 14Г2, 12Г2С, 15ХСНД. Металлические мосты изготавливаются из углеродистой стали 16Д и низколегированных сталей 15ХСНД и 10ХСНД (ГОСТ 6713–75), 10Г2С1Д, 16Г2АФ. Для резервуаров больших объемов, газгольдеров и других емкостей рекомендуются стали от С330 до С590 (09Г2С, 16Г2АФ, 10Г2С, 12Г2СТФ и т. д.). Для сварных магистральных газопроводных труб применяют сталь 17ГС ( т = 360 МПа), поступающую в нормализованном состоянии. В последние годы для труб применяют легированные стали марок 14Г2САФ, 14Г2СФБ, 16Г2САФ с т 450 МПа. После сварки для снятия напряжений низколегированные стали могут подвергаться высокому отпуску при 630...700 °С. 2. Микроскопический анализ строения углеродистых сталей в равновесном состоянии Как видно из диаграммы состояния Fe–Fe3С (см. лабораторную работу № 1), структура стали в равновесном состоянии (после медленного охлаждения) определяется содержанием углерода. Фазовое состояние внедрения углерода в

-железе) и цементит (карбид железа Fe3C). 16

Исключение составляют сплавы, содержащие менее 0,006 % С, в которых при комнатной температуре имеется только феррит. В сталях разного состава количественное соотношение феррита и цементита неодинаково, его определяют по правилу рычага (отрезков). По микроструктуре в равновесном состоянии различают: техническое железо, не испытывающее эвтектоидное превращение (до 0,025 % С); доэвтектоидные стали (от 0,025 до 0,8 % С); эвтектоидные стали (0,8 % С); заэвтектоидные стали (от 0,8 до 2,14 % С). В техническом железе микроструктура состоит либо только из равноосных зерен феррита (при содержании углерода до 0,006 %), либо из равноосных зерен феррита с пограничными выделениями третичного цементита (рис. 2.1, а), который выделяется по границам зерен феррита и образует разорванную сетку, так как количество его невелико. В доэвтектоидных сталях наблюдаются две структурные составляющие: избыточный феррит, образующийся в результате аллотропического превращения аустенита, и эвтектоид (перлит), который возникает при эвтектоидном превращении (рис. 2.1, б). При этом чем ближе концентрация в доэвтектоидной стали к точке S (0,8 % С), тем больше в ее структуре перлита и меньше феррита (феррит – светлые зерна, а перлит – темные зерна). Избыточный феррит при большом его количестве выделяется в виде равноосных зерен (см. рис. 2.1, б), при малом количестве – в виде сетки по границам исходных зерен аустенита (рис. 2.1, в). При малом количестве перлита (в сталях С = 0,1 % С) он вырождается: эвтектоидный феррит присоединяется к ферриту избыточному, а эвтектоидный цементит выделяется по границам зерен феррита. Структура в этом случае подобна структуре технического железа. Перлит в эвтектоидной стали имеет характерное пластинчатое строение и состоит из отдельных зерен – колоний (рис. 2.1, г). В заэвтектоидных сталях структурные составляющие – перлит и цементит вторичный (П + ЦII). Вторичный цементит выделяется перед эвтектоидной реакцией из аустенита из-за уменьшения растворимости углерода в Fe при понижении температуры. Цементит вторичный выделяется по границам зерен аустенита, образуя светлую сетку (рис. 2.1, д). Ячейки этой сетки заполняют колонии перлита, которые образуются из аустенита при эвтектоидном превращении после завершения выделения вторичного цементита. 17

лит занимает примерно 30 % общей площади, а феррит 70 %, то, составляя пропорцию, получим:

а

X

0,8 ˜ 30  0,006 ˜ 70 100

0,24 % C .

(1) Таблица 2.2

б

г

в

д

Рис. 2.1. Схематическое изображение микроструктур железоуглеродистых сплавов: а – техническое железо; б – доэвтектоидная сталь с малым содержанием углерода; в – доэвтектоидная сталь с большим содержанием углерода; г – эвтектоидная сталь; д – заэвтектоидная сталь

Таким образом, по микроструктуре можно качественно отличить углеродистые стали разного состава. В табл. 2.2 представлены данные о фазовых и структурных составляющих сталей. По микроструктуре возможна и количественная оценка химического состава стали. Для этого необходимо определить площадь каждой структурной составляющей (на глаз или методом количественной металлографии) и по правилу рычага найти содержание углерода. Например, для доэвтектоидной стали, если на просматриваемом поле шлифа пер18

Техническое название сплава

Содержание С, % по массе

Фазы при 20 qС

Техническое железо Доэвтектоидная сталь Эвтектоидная сталь Заэвтектоидная сталь

0…0,006 0,006…0,025 0,025…0,8

Fe Fe, Fe3C Fe, Fe3C

Структурные составляющие при 20 qС Ф Ф, ЦIII Перлит, Физб

0,8

Fe, Fe3C

Перлит

0,8…2,14

Fe, Fe3C

Перлит, ЦII

Фазы в углеродистой стали сильно отличаются друг от друга механическими свойствами: феррит мягок и пластичен, цементит тверд и хрупок. Механические свойства стали зависят от свойства фаз. Однако существенное влияние на механические свойства стали оказывает и ее микроструктура. В этом можно убедиться, сравнив свойства отдельных фаз со свойствами перлита (табл. 2.3). Эвтектоидные и заэвтектоидные стали, имеющие структуру пластинчатого перлита или перлита с цементитом вторичным, обладают повышенной твердостью. Для ее снижения стали подвергают отжигу с нагревом до 740...780 °С и последующим медленным охлаждением («сфероидирующий отжиг»). При таком отжиге вторичный цементит и цементит эвтектоида принимают глобулярную, зернистую форму (рис. 2.2), а твердость материала снижается (см. табл. 2.3). В такой структуре отличить цементит вторичный от цементита эвтектоида практически невозможно. Таким образом, структура стали характеризует ее свойства, а, следовательно, и область применения. Доэвтектоидные стали являются конструкционными сталями, применяемыми для изготовления большой номенклатуры деталей машиностроения. Увеличение в них содержания углерода сопровождается повышением твердости и прочности и уменьшением пластичности и ударной вязкости (рис. 2.3). 19

Таблица 2.3

Структура (фаза) Феррит Цемент Перлит пластинчатый Перлит зернистый (0,8 % С)

Dн

Механические свойства Твердость НВ, Предел Поперечное МПа прочности при сужение, % растяжении, МПа 700}900 190}250 40}50 30 <1 7500}8000 1900}2400 880}900 9}12 1600}1900

650}700

кгс, кг/см2

18}25

Dн

Рис. 2.3. Механические свойства углеродистой стали в зависимости от содержания углерода Рис. 2.2. Схематическое изображение микроструктуры заэвтектоидной стали: феррит и цементит зернистый

Стали, содержащие углерода более 0,7 %, используются, в основном, как инструментальные: высокоуглеродистые (С 1,0 %) стали характеризуются повышенной твердостью, износостойкостью, применяются для изготовления режущего инструмента. Стали с меньшим содержанием углерода обладают наряду с высокой твердостью и прочностью достаточной вязкостью, используются для инструмента, подвергающегося ударам. Для проведения микроанализа используются специальные образцы, называемые микрошлифами. Приготовление микрошлифа состоит в вырезании образца, шлифовке и полировке до зеркального блеска его поверхности, выбранной для исследования. Шлифовку проводят на шлифовальной бумаге с зернами различной крупности при постепенном переходе от шлифовальной бумаги с крупным зерном к шлифовальной бумаге с более мелким зерном до полного удаления рисок.

Механическая предварительная полировка ведется на вращающихся кругах, обтянутых грубым сукном, на которые периодически наносятся водная взвесь окиси хрома, алюминия или других окислов в виде мелкодисперсных порошков. Окончательная полировка ведется на тонком мягком сукне (фетре), смачиваемом тонкой взвесью тех же окислов. Широко применяют электролитическое полирование, при котором образец в качестве анода помещается в электролитическую ванну. Для выявления микроструктуры образец после полировки подвергают травлению, которое позволяет определить число, размеры, форму, взаимное расположение и количественное соотношение фаз и структурных составляющих. Травление заключается во взаимодействии металла поверхности микрошлифа с химически активными растворами кислот, щелочей, солей в спирте или в воде в зависимости от свойств и строения исследуемого металла. В процессе травления образуются микрогальванические пары, и структуры с более отрицательным электродным потенциалом будут играть в них роль анода и растворяться. Более интенсивно, чем само зерно, протравляются границы зерен металла, которые обогащены различны-

20

21

ми примесями, что способствует образованию микрогальванических элементов. В результате на границах зерен после травления образуются углубления, которые под микроскопом дают больше рассеянных лучей и выглядят более темными, поэтому структура перлита под микроскопом имеет вид темных и светлых полос, так как феррит растворяется быстрее, чем цементит. Практическая часть работы состоит в изучении микроструктуры типичных железоуглеродистых сплавов: технического железа, доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталей. Студенты выполняют эту работу под руководством преподавателя и учебного мастера и обязаны сделать следующее: 1. Зарисовать (схематично) микроструктуру образцов коллекции, указав увеличение микроскопа, структурные составляющие, фазовые составляющие. Результаты представить в виде табл. 2.4. Таблица 2.4 № образца

Техническое название сплава

Содержание углерода в сплаве

Структурные составляющие

Фазовые составляющие

Зарисовка микроструктур

2. Определить содержание углерода в образцах (по указанию преподавателя) на основании количественной оценки относительного объема структурных составляющих. Результаты занести в табл. 2.4. 3. По указанию преподавателя расшифровать марку строительной стали, указав при этом ее качество, способ раскисления, примерное содержание химических элементов и область рационального применения. Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Результаты исследования микроструктуры заданных образцов. 3. Расшифровка указанной марки строительной стали с указанием области ее практического применения. 4. Выводы по работе (зависимость микроструктуры и фазового состояния от состава углеродистой стали: какие фазы образуют сетку по границам зерен; что сильнее влияет на свойства стали – фазовое состояние или ее микроструктура).

1

2

3

4

22

23

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 %. Структура чугуна и его основные свойства зависят как от химического состава, так и от технологического процесса производства и режима термической обработки. Углерод в чугуне может находиться в виде карбида железа Fe3С или графита, или одновременно в виде Fe3С (цементита) и графита. Графит в чугуне может образоваться в результате распада цементита. Этот процесс называется графитизацией. В зависимости от состояния углерода различают следующие чугуны:

1. Белые чугуны, в которых углерод находится в связанном состоянии в виде карбида железа Fe3С (цементита). Свое название они получили по виду чугуна, который имеет светлый (белый) цвет. Структура белых чугунов точно соответствует метастабильной диаграмме Fe–Fe3C. По структуре белые чугуны делятся на три типа: а) доэвтектические – состоят из перлита, вторичного цементита и ледебурита; б) эвтектические – состоят из ледебурита; в) заэвтектические – состоят из первичного цементита и ледебурита. Белый чугун из-за присутствия в нем большого количества цементита обладает высокой твердостью, хрупкостью и практически не поддается обработке резанием. Высокая твердость обусловливает хорошую сопротивляемость износу, особенно абразивному, и поэтому белый чугун применяется для звёздочек при очистке литья, шаров для мельниц и т. д. Белый чугун используется при переделе в сталь и при отливке деталей с последующим отжигом на ковкий чугун. 2. Серые чугуны, в которых углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита и поэтому в изломе имеет тёмно-серый цвет. Образование стабильной фазы графита в чугуне может происходить в результате непосредственного выделения его из жидкого раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита. Процесс образования в чугуне графита называется графитизацией. В стабильной системе Fe–С (штриховые линии на рис. 1.2 в лабораторной работе № 1) при температурах, соответствующих линии D , кристаллизуется первичный графит. По линии E C F образуется графитная эвтектика (аустенит + графит). По линии Е S выделяется вторичный графит, а по линии P K образуется эвтектоид, состоящий из феррита и графита. Основная масса графита в серых чугунах формируется в период кристаллизации из жидкой фазы. В отличие от белых чугунов, которые получают при ускоренном охлаждении сплава, серые чугуны получают при медленном охлаждении. Кремний способствует процессу графитизации. Марганец, напротив, замедляет процесс графитизации, способствуя отбелу чугуна. Изменяя, с одной стороны, содержание в чугуне углерода и кремния, а с другой – скорость охлаждения, можно получить различную структуру металлической основы чугуна.

24

25

Лабораторная работа № 3 МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СТРОЕНИЯ ЧУГУНОВ Цель лабораторной работы – ознакомиться с микроструктурой и свойствами чугунов. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) изучить теоретические вопросы получения белых, серых, ковких и высокопрочных чугунов; 2) по диаграмме железо–цементит изучить строение белых чугунов, а по диаграмме железо–графит – строение серых чугунов, обратив особое внимание на структуру металлической основы; 3) с помощью металлографического микроскопа изучить структуру различных чугунов, используя коллекцию микрошлифов. Оснащение участка лабораторной работы: оборудование – металлографические микроскопы МИМ-6, МИМ-7, ММУ-3, МЕТАМ РВ-22; материалы – коллекция микрошлифов белых, серых, ковких и высокопрочных чугунов; плакаты – диаграмма состояния железо–цементит и железо–графит; фотоальбом – микроструктура белых, серых, ковких и высокопрочных чугунов. Микроструктурный анализ строения чугунов

Структурная диаграмма для чугунов, показывающая, какой должна быть структура в отливке с толщиной стенки 50 мм, в зависимости от содержания в чугуне кремния и углерода приведена на рис. 3.1. Чем больше в чугуне углерода, тем меньше требуется кремния для получения заданной структуры. При данном содержании углерода и кремния графитизация протекает тем полнее, чем медленнее охлаждение (рис. 3.2). Скорость охлаждения удобно характеризовать толщиной стенки отливки. Чем тоньше отливка, тем быстрее охлаждение и в меньшей степени протекает графитизация. По строению металлической основы в зависимости от полноты распада цементита различают ферритный, ферритно-перлитный и перлитный серые чугуны. Серый ферритный чугун получается при полном распаде всего цементита. Структура чугуна состоит из феррита и графита. Этот чугун применяется для деталей, испытывающих небольшие нагрузки при работе: строительных колонн, фундаментных плит, литых деталей машин.

(C + Si), %

8,5 7,5 6,5 5,5 V

4,5 IV

3,5

III

II

2,5

I 0

20

50 80 Толщина отливки, мм

110

Содержание углерода, %

5

Рис. 3.2. Влияние скорости охлаждения (толщины отливки) и суммы (C + Si) на структуру чугуна: I – белые чугуны; II – половинчатые чугуны; III – перлитные серые чугуны; IV – ферритно-перлитные серые чугуны; V – ферритные серые чугуны

4

Рис. 3.1. Влияние углерода и кремния на структуру чугуна: I – белые чугуны; II – половинчатые чугуны; III – перлитные серые чугуны; IV – ферритно-перлитные серые чугуны; V – ферритные серые чугуны

Серый ферритно-перлитный чугун характеризуется меньшей степенью графитизации, поскольку ей подвергается цементит, входящий в состав ледебурита, вторичный цементит и частично цементит, входящий в состав перлита. При этом распавшийся цементит образует феррит и графит, а нераспавшийся цементит сохраняется в перлите. Структура ферритно-перлитная, с графитом. Ферритно-перлитный серый чугун применяется для литых деталей машин, станков, автомобилей, арматуры и других деталей, не несущих ударных нагрузок. Серый перлитный чугун образуется, когда графитизации подвергается полностью цементит, входящий в состав ледебурита, и вторичный цементит. Структура перлитного чугуна состоит из перлита и графита. Перлитный серый чугун применяется для отливки станины мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, деталей, работающих на износ, и т. д. Свойства серого чугуна зависят от структуры металлической основы и от формы, размеров и количества графитных включений.

26

27

3

2

II I

III

IV

V

1 0

1

2

3

4

5

6

Содержание кремния, %

7

Отжиг проводится в две стадии. Первоначально отливки (чаще упакованные в ящики с песком) выдерживают при температуре 950–970 °С. В этот период протекает первая стадия графитизации – распад цементита, входящего в состав ледебурита (А + Ц). В результате распада цементита образуется хлопьевидный графит (углерод отжига). Затем отливки охлаждаются до температур, соответствующих эвтектоидному превращению (РSК). При охлаждении происходит выделение из аустенита вторичного цементита, его распад и в итоге – рост графитных включений. При достижении эвтектоидного интервала температур охлаждение рез-

ко замедляют или дают длительную выдержку при температуре несколько ниже. В этот период протекает вторая стадия графитизации – распад аустенита с образованием ферритно-графитной смеси или распад цементита, входящего в перлит, с образованием феррита и графита в процессе выдержки ниже эвтектоидной температуры. После окончания второй стадии графитизации структура чугуна состоит из феррита и хлопьевидного графита. Если в районе перлитного превращения отливки охлаждать несколько быстрее, то наряду с ферритом в его структуре будут присутствовать зерна перлита в большем или меньшем количестве. Регулируя скорость охлаждения, можно получить ковкий чугун, структура которого будет состоять только из перлита и хлопьевидного графита. Термин «ковкий чугун» является условным, поскольку изделия из него, так же как и из любого другого чугуна, изготавливают не ковкой, а путем литья. Состав ковкого чугуна выдерживается в довольно узких пределах: 2,2...3,0 % С; 0,7...1,5 % Si; 0,2...0,6 % Mn; 0,2 % P и 0,1 % S. Невысокое содержание углерода в ковком чугуне необходимо для получения высоких прочностных характеристик и пластичности, а также чтобы избежать выделения пластинчатого графита при охлаждении отливок в металлической форме. Толщина сечения отливки не должна превышать 40...50 мм в процессе охлаждения их в форме. При большем размере отливок в сердцевине образуется пластинчатый графит, и чугун становится непригодным для отжига. Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Например, из ферритного ковкого чугуна изготавливают картеры редукторов, задний мост, ступицы и т. д. Перлитный ковкий чугун обладает высокой прочностью, умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами. Из него изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, муфты, тормозные колодки и т. д. 4. Высокопрочные чугуны имеют шаровидную форму графита. В этих чугунах углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в вида графита шаровидной формы. Возможность получения отливок из чугуна с графитом шаровидной формы в литой структуре была установлена сравнительно недавно. Исследованиями выявлена возможность получения чугуна с шаровидным графитом путём присадок не только магния и церия, но и таких элементов, как литий, кальций, барий, теллур и др. Установлена также возможность получения чугуна за счет добавки азота путём длительной выдержки жид-

28

29

Чем мельче графитные пластинки и чем больше они изолированы друг от друга, тем выше прочностные свойства чугуна при одной и той же металлической основе. Такая более благоприятная структура может быть получена модифицированием, т. е. введением в жидкий чугун небольших количеств модификаторов (ферросилиция, силикокальция). Чем меньше в металлической основе феррита, тем выше прочность чугуна. Серый чугун обладает высокими литейными свойствами, хорошо обрабатывается, менее хрупок, чем белый; ему присущи хорошие антифрикционные свойства. 3. Ковкие чугуны получают путём отжига отливок из белого чугуна (рис. 3.3). В ковком чугуне углерод находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (углерод отжига). Такая форма графита обусловливает высокие прочностные и пластические характеристики ковкого чугуна. Температура, qС

1-я стадия графитизации 950–970 qC

(А + Fe3C) Л 760 qC

2-я стадия графитизации (Ф + Fe3C) Ф + Гр

А +Г Эвтектоидный интервал температур

720 qC

Время, ч

П

Рис. 3.3. Режим отжига белого чугуна на ковкий

кого металла при высоких температурах, а также путём повышенного перегрева и выплавки в вакууме. Однако перечисленные добавки и различные способы получения чугуна с шаровидным графитом без обработки магнием не нашли промышленного применения. Магний вводится либо в чистом виде в автоклавных установках и герметизированных ковшах, либо в виде магниевых сплавов. Магний является хорошим графитизатором и способствует удалению серы. Микроструктура высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и, следовательно, его механические свойства могут быть различными в зависимости от химического состава, скорости охлаждения отливок и режима термической обработки. Изменяя скорость охлаждения, можно получить ферритную, ферритно-перлитную и перлитную структуру металлической основы чугуна с шаровидным графитом. Следовательно, структура серого, ковкого и высокопрочного чугуна отличается от структуры стали только наличием свободного графита. Сочетание высоких физико-механических и технологических свойств позволяет эффективно использовать магниевый чугун взамен обычного серого, ковкого чугуна, литой и кованой стали, а также взамен некоторых цветных сплавов на основе меди во многих отраслях машиностроения и строительства (например, прокатные валки, кузнечно-прессовое и прокатное оборудование, изложницы для разливки стали, штампы различного назначения, коленчатые валы, поршневые кольца, картеры заднего моста, кронштейны, подшипники качения, детали тепловозов, подъемно-транспортных сооружений и т. д.). Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Изображение диаграммы железо–графит, определение основных линий для диаграммы, а также фаз (аустенит, феррит, цементит) и структурных составляющих. 3. Краткие сведения из теории, касающиеся условий получения различных чугунов. 4. Структурные диаграммы для чугунов, схема отжига белого чугуна на ковкий, схематические зарисовки микроструктур рассмотренных чугунов в нетравленном состоянии и после травления с указанием структурных составляющих. 5. Выводы по работе. 30

Лабораторная работа № 4 СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА И ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ Цель лабораторной работы – изучение структуры и механических свойств сварных соединений, выполненных сваркой плавлением и давлением. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) изучить особенности образования структуры металла шва и околошовной зоны в условиях сварки плавлением и давлением; 2) произвести сравнительный анализ изменений структуры и свойств сварных соединений, полученных сваркой плавлением и давлением, дать оценку их качества. Оборудование участка лабораторной работы: оборудование – металлографические микроскопы МИМ-6, МИМ-7, приборы для измерения твердости и микротвердости металла Роквелла и ПМТ-3; материалы – коллекция шлифов, приготовленных из образцов, сваренных различными способами, реактивы; плакаты – термокинетическая диаграмма распада аустенита малоуглеродистой стали, микрофотографии структур строительных сталей справочная литература – справочники, ГОСТы. В сварном соединении, выполненном сваркой плавлением, обычно выделяют четыре характерные зоны (рис. 4.1): металл шва, участок неполного расплавления, зону термического влияния и основной металл, не подвергшийся термическому воздействию. Разделение сварного соединения на отдельные зоны вызвано тем, что структура, а иногда и свойства металла шва и околошовной зоны после сварки отличаются от свариваемого металла в исходном состоянии.

31

4

3

2

1

2

3

4

Рис. 4.1. Строение стыкового сварного соединения: 1 – металл шва; 2 – зона сплавления; 3 – зона термического влияния; 4 – основной металл

1. Особенности структурообразования металла шва при сварке плавлением При сварке плавлением под воздействием источника теплоты расплавляются кромки основного (свариваемого) металла и электродный металл, подаваемый в сварочную ванну, а также покрытие или флюс. Плавление происходит в зоне сварки – плавильном пространстве, которое перемещается вместе с источником теплоты. Плавильное пространство, или сварочная ванна, условно может быть разделено на две части: головную и хвостовую. В головной части происходит плавление, а в хвостовой – кристаллизация металла и формирование шва. В отличие от кристаллизации слитка для кристаллизации металла сварочной ванны характерны следующие условия: незначительный объем расплавленного металла; быстрый локальный нагрев металла источником теплоты и быстрое его охлаждение; наличие подвижного температурного поля, создаваемого источником теплоты, вследствие чего средняя скорость кристаллизации в первом приближении равна скорости сварки. По сравнению с основным металлом сварной шов имеет типичную структуру литого металла, быстро затвердевшего в условиях интенсивного отвода теплоты. Литой металл, как правило, уступает прокатному или кованому по своим пластическим и вязким свойствам, так как имеет более крупнозернистую структуру. Однако в отличие от слитков сварной шов обычно содержит меньше N2, S, Р и С, имеет меньшие зональную и внутрикристаллическую ликвации. Кроме того, из-за особенностей первичной кристаллизации металл шва имеет более мелкозернистую струк32

туру. В большинстве случаев сварные швы из малоуглеродистой и низколегированной сталей обладают высокими механическими свойствами даже без дополнительной термической обработки. Микроструктура металла шва зависит, главным образом, от условий первичной кристаллизации, которая во многом определяет его свойства. Переход металла сварочной ванны из жидкого состояния в твердое называется первичной кристаллизацией. Процесс затвердевания представляет собой рост кристаллов в результате присоединения к их поверхности атомов из окружающего расплава. Для большинства сварных швов характерна столбчатая структура. Рост столбчатых кристаллов в сварочной ванне начинается от частично оплавленных зерен основного металла. На них, как на своеобразной подкладке, начинают свой рост первичные кристаллы, количество которых ограничено. Кристаллы развиваются нормально к поверхности охлаждения, в направлении, обратном отводу тепла, – в глубь жидкого металла ванны. В результате они приобретают столбчатую форму (рис. 4.2).

Металл шва

Основной металл

Рис. 4.2. Схема роста кристаллов от границы сплавления в сварочной ванне

Размеры столбчатых кристаллов зависят также от способа и режимов сварки. Снижение температуры ванны и длительности пребывания металла в жидком состоянии способствует образованию крупных кристаллов. Рост столбчатых кристаллов способствует удалению из расплавленного металла газов и шлаковых включений. Поскольку температура кри33

сталлизации зависит от чистоты металла, то в первую очередь затвердевает менее загрязненный примесями металл. В процессе затвердевания сварных швов перед фронтом растущих кристаллов маточный раствор непрерывно обогащается примесями. В последнюю очередь затвердевает средняя часть шва, в которой сосредоточивается максимальное количество примесей. Химическая неоднородность, называемая ликвацией, снижает механические свойства металла шва, так как ослабляет связь между кристаллами и является одной из причин возникновения горячих (межкристаллизационных) трещин. Ликвация зависит от формы шва. В узком шве максимальное количество примесей концентрируется в средней части (рис. 4.3, а), а в широком – в верхней части (рис. 4.3, б). Вследствие этого влияние примесей в широком шве менее опасно. а

б

диффузионные процессы и развивается химическая неоднородность, а структура металла представляет собой иглообразное расположение структурных составляющих. На этом участке, представляющем собой тонкую переходную полоску от металла шва к основному металлу, и происходит собственно сварка, т. е. формирование кристаллов шва на частично оплавленных зернах основного металла. Свойства этого участка и металла шва во многих случаях оказывают решающее влияние на работоспособность сварного соединения, так как здесь часто образуются трещины, ножевая коррозия, хрупкие разрушения и т. п. Ширина участка неполного расплавления невелика и для дуговой сварки составляет примерно 0,1…0,5 мм. Далее следует околошовная зона, называемая зоной термического влияния. 2. Формирование структуры металла в зоне термического влияния сварных соединений

При сварке сплавов на основе железа кристаллы имеют аустенитную структуру при первичной кристаллизации. В процессе дальнейшего охлаждения у этих сплавов происходят аллотропические превращения -железа в -железо с появлением новых образований в пределах первичного зерна аустенита. Этот процесс называется вторичной кристаллизацией, а возникающая в результате структура – вторичной структурой. По химическому составу металл шва представляет собой нечто среднее между основным и электродным металлом (с учетом возможного выгорания легирующих элементов, окисления и азотирования за счет окружающей среды). Участок неполного расплавления представляет собой узкую полоску металла, в которой он в процессе сварки находится в твердожидком состоянии. За время контакта жидкой и твердой фаз в нем протекают

Зона термического влияния (ЗТВ) является обязательным спутником сварного шва при всех способах сварки плавлением и давлением, кроме холодной сварки. Эта зона охватывает основной металл, не расплавляющийся в процессе сварки и сохраняющий неизменным свой химический состав, но изменивший свою структуру и механические свойства вследствие нагрева и охлаждения (термообработки) в процессе сварки. Прочность сварного соединения и его эксплуатационные свойства во многом зависят от структурных изменений, которые происходят в ЗТВ. Строение и размеры ЗТВ зависят от химического состава и теплофизических свойств свариваемого металла, мощности источника теплоты, степени его концентрированности, скорости движения и других факторов. Ширина ЗТВ меняется от 1…3 мм при ручной дуговой сварке до 20 мм и более – при электрошлаковой сварке. Термический цикл любой точки металла сварного соединения характеризуется максимальной температурой нагрева, длительностью нагрева до определенной температуры и скоростью охлаждения. Для ЗТВ характерно неравномерное распределение максимальных температур нагрева (рис. 4.4). Результат теплового воздействия на металл в ЗТВ зависит от его отношения к термообработке. В зависимости от способа и погонной энергии сварки возможны два предельных случая:

34

35

Рис. 4.3. Влияние формы шва на химическую неоднородность (ликвацию) металла: а – узкий шов; б – широкий шов

1) закалка – при быстром охлаждении – с образованием твердых и хрупких структур и возникающих при этом значительных по величине напряжений; 2) перегрев – при медленном охлаждении – характеризующийся чрезмерным ростом зерна и снижением пластических и вязких свойств металла. t, оС

никновением больших напряжений, которые могут вызвать разрушение металла. В подобных случаях приходится принимать специальные меры к улучшению структуры металла ЗТВ и предотвращению образования мартенсита. Эти меры сводятся к изменению теплового режима в процессе сварки, выбору рациональной формы разделки кромок под сварку и последующей термообработке. На рис. 4.5 показана схема структур, образующихся в зоне термического влияния при сварке стыкового соединения из малоуглеродистой стали за один проход.

1600 Металл шва

1400 1200 1000 800 600 400 200

τ, с Рис. 4.4. Термический цикл при сварке плавлением: 1, 2, 3, 4 – точки, в которых измерялась температура

Оценить общий характер возможных превращений, протекающих в ЗТВ при сварке низкоуглеродистых сталей, можно по диаграмме железо–цементит, а при различных скоростях охлаждения – пользуясь термокинетическими диаграммами распада аустенита, которые построены для большинства марок углеродистых и легированных сталей. Скорость охлаждения обычно оценивается в интервале температур наименьшей устойчивости аустенита (500…550 °С). При малых скоростях охлаждения, соответствующих электрошлаковой и ванной сварке, превращение аустенита приводит к формированию структуры, состоящей из феррита и перлита. При средних скоростях охлаждения (автоматическая сварка под флюсом) в зависимости от марки стали образуются перлит и бейнит или бейнит и мартенсит с небольшим количеством феррита. При скорости охлаждения выше критической образуется только мартенсит. Мартенситное превращение сопровождается увеличением объема стали и воз36

t, оС 1500 Участок неполного 1400 расплавления 1300 1200 Участок перегрева 1100 Участок нормализации 1000 900 Участок неполной перекристаллизации 800 700 Участок 600 рекристаллизации 500 400 300 200 100

Рис. 4.5. Строение ЗТВ при сварке низкоуглеродистой стали

Над сечением шва показана кривая температур, а рядом – часть диаграммы железо–цементит в том же масштабе. В зависимости от темперегрева; нормализации; неполной перекристаллизации; рекристаллизации. Участок перегрева. Он включает металл, нагретый до температуры выше 1100 °С, т. е. несколько ниже температуры плавления. Металл на этом участке в процессе нагрева претерпевает аллотропические превращения ( -железа в -железо), сопровождающиеся ростом аустенит37

ного зерна. В тех случаях, когда перегрев сочетается с последующим быстрым охлаждением (закалка), металл на этом участке после сварки обладает пониженной пластичностью и прочностью по сравнению с основным металлом. Участок особенно опасен для закаливающихся сталей, поэтому выбор рациональной технологии сварки сводится в первую очередь к обеспечению наименьшего ухудшения свойств на этом участке ЗТВ. Участок нормализации (перекристаллизации). Этот участок охватывает металл, нагретый до температуры, немного превышающей температуру аллотропических превращений (900…1050 °С). Происходящий здесь процесс перекристаллизации при нагреве и охлаждении приводит к значительному измельчению зерен металла. Структура металла становится более мелкозернистой по сравнению с исходной. Механические свойства металла этого участка обычно лучше, чем основного металла. Участок неполной перекристаллизации. Он включает металл, нагретый до температур 700…850 °С. При этих температурах происходит частичная перекристаллизация, т. е. часть феррита остается в исходном состоянии, другая – образует аустенит. При последующем охлаждении и распаде аустенита образуется мелкозернистая структура, поэтому здесь, наряду с зернами основного металла, не изменившимися в процессе сварки, присутствуют зерна, образовавшиеся при перекристаллизации. Участок рекристаллизации (старения). Он наблюдается при сварке сталей, предварительно подвергшихся пластической деформации (ковке, прокатке). Температурный интервал участка 450…650 °С. На этом участке ЗТВ происходят сращивание (укрупнение) раздробленных при нагартовке зерен основного металла и некоторое его разупрочнение по сравнению с исходным состоянием. При сварке изделий из литья рекристаллизации не наблюдается. Для металлов и сплавов, склонных к старению, необходимо учитывать некоторое снижение пластичности на этом участке. Об изменении прочностных и в определенной степени пластических свойств в различных участках металла шва и ЗТВ можно судить по изменению твердости (рис. 4.6). Повышение твердости обычно связано с повышением прочности и снижением пластичности. Характер распределения твердости в ЗТВ может быть различным. Он определяется химическим составом стали и режимом сварки. Обычно в сварных изделиях не допускается твердость в зоне сварки более НВ = 300 МПа.

Рис. 4.6. Изменение механических свойств в металле шва и околошовной зоне: а – твердость; б – прочность; в – пластичность

38

39

H V,

2 кгс/мм

а

Vв

Vв; V0,2 кгс/мм2

б

\G 

V 0,2

\

в

G

Расстояние от оси шва, мм – мартенсит

– троостит

– бейнит

– сорбит перлит

– феррит

Таким образом, зона термического влияния неоднородна по структуре и механическим свойствам. Наиболее ослабленным является участок перегрева, а наилучшие механические свойства имеет участок нормализации. В целом механические свойства ЗТВ хуже, чем у основного металла, поэтому ее размеры необходимо ограничивать. Чувствительность стали к изменению термического цикла сварки зависит от содержания в ней углерода, а также элементов, повышающих ее прокаливаемость и склонность к перегреву. В сварных соединениях низкоуглеродистой и большинства низколегированных сталей рост зерна в околошовной зоне не оказывает заметного влияния на свойства металла. При сварке углеродистых и особенно легированных сталей быстрое охлаждение околошовной зоны вызывает часто закалку металла и образование структур, имеющих значительные твердость и хрупкость. В этих случаях для улучшения структуры и свойств ЗТВ применяют термическую обработку, обычно высокий отпуск. В последние годы в строительстве возрос объем сварочных работ с применением углеродистых и низколегированных сталей, поставляемых в термоупрочненном состоянии. По сравнению с горячекатаным термоупрочненный металл (закаленный и отпущенный при определенной температуре) имеет более высокие механические свойства и более низкую температуру хладноломкости. При сварке такой стали в зоне термического влияния может наблюдаться разупрочнение (рис. 4.7). Протяженность разупрочненной зоны («мягкой прослойки») и величина разупрочнения оказывают большое влияние на прочностные свойства сварного соединения. При правильном выборе сварочных материалов и режимов сварки прочность сварных соединений может быть практически равной прочности основного металла, если протяженность разупрочненного участка и величина разупрочнения малы. При сварке давлением (например, контактная сварка) сварной шов может иметь как литую структуру, так и пластически деформированную. Например, при контактной точечной сварке прохождение тока вызывает разогрев и расплавление металла в зоне сварки, создающее ядро сварной точки. Точечная сварка низкоуглеродистой стали без расплавления металла хотя и возможна, но недостаточно надежна и поэтому на практике почти не применяется. 40

HV, кгс/мм2

HV, кгс/мм2

Рис. 4.7. Схема возможных вариантов распределения твердости в сварном соединении: ОМ – основной металл, cв. шов – сварной шов, ЗТВ – зона термического влияния

Диаметр ядра, определяющий, в основном, прочность сварной точки, зависит от диаметра рабочей поверхности электрода, толщины листов, давления, силы тока и времени его прохождения. При неправильно подобранном режиме сварки может не произойти достаточного расплавления металла и получается непроваренная точка. Когда ядро расплавляется, прилегающая к нему по окружности зона металла находится в пластическом состоянии и плотно сжимается давлением электродов. Давление создает уплотняющее кольцо пластического металла, удерживающего жидкий металл ядра. При недостаточном давлении уплотняющее кольцо не может удержать жидкий металл ядра и происходит внутренний выброс (выплеск) металла в зазор между листами. Кристаллизация жидкого металла происходит так же, как и при электродуговой сварке, т. е. от поверхности ядра к его середине. Ядро имеет столбчатую дендритную структуру. При охлаждении и затвердевании происходит уменьшение объема расплавленного металла ядра. В результате в центральной части ядра могут образовываться усадочная раковина, пористость и рыхлость металла. Чем толще металл, тем сильнее неблагоприятное влияние усадки. Наиболее надежным способом борьбы с этим явлением может служить повышение рабочего давления. 41

При сварке давлением также имеется ЗТВ, однако ее общие размеры относительно малы и не оказывают решающего влияния на прочность сварного соединения. Практическую часть работы рекомендуется выполнять в такой последовательности: 1. Шлифы, изготовленные из сварных образцов, подвергают травлению 10…25 %-ным водным раствором азотной кислоты для выявления макроструктуры, которую исследуют невооруженным глазом или при небольшом увеличении (до 5 раз). 2. По макроструктуре определяют форму и размеры шва, глубину проплавления, форму и размеры зерен, ширину ЗТВ, размеры крупных зерен в околошовной зоне. 3. Выявляют дефекты сварного соединения: непровары, трещины, шлаковые включения и др. Результаты представляют в виде зарисовок макроструктуры с изображением выявленных дефектов. 4. Производят переполировку и повторное травление шлифов 2…4 %-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте. Микроструктуру исследуют на микроскопах МИМ-6, МИМ-7. До травления на полированной поверхности шлифа исследуются распределение и характер неметаллических включений (S, P и т. д.). После травления изучается структура шва и ЗТВ: определяются структурные составляющие (феррит, перлит, сорбит и др.) и их относительное количество. Результаты исследований представляют в виде зарисовок микроструктуры. 5. Производят измерение твердости на приборе Роквелла или микротвердости на приборе ПМТ-3 в поперечном направлении сварного соединения. Результаты измерений заносятся в таблицу, и строится график распределения твердости по сечению сварного соединения. Распределение твердости сопоставляется со схемой микроструктур и делается общий вывод о качестве сварного соединения.

Лабораторная работа № 5 ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛОВ НА ТВЕРДОСТЬ

1. Цель и задачи работы. 2. Особенности формирования структуры металла сварного шва, выполненного сваркой плавлением (конспективно). 3. Структура и свойства зоны термического влияния (конспективно). 4. Результаты выполнения практической части работы. 5. Выводы по работе.

Цель лабораторной работы – освоить методику и получить навыки испытания металлов на твердость. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) усвоить сущность метода испытания металлов на твердость, его преимущества перед другими методами определения механических свойств; 2) изучить устройство приборов для измерения твердости; 3) определить твердость стали, чугуна, цветных металлов (алюминия, меди и других), по значениям твердости НВ определить предел прочности металлов. Оснащение участка лабораторной работы: оборудование – пресс Бринелля, твердомер Роквелла, наконечники со стальными закаленными шариками выбранного диаметра, наконечник с алмазным конусом, лупа с градуированной шкалой, настольные тиски, напильники и шлифовальный круг; материалы – образцы углеродистой стали, чугуна и цветных сплавов; плакаты – таблицы значений твердости. Твердость – это свойство металла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого, тела определенной формы и размеров. Определение твердости является наиболее широко распространенным методом испытания металлов, позволяющим без разрушения изделия и изготовления специальных образцов судить о качестве изделий. Приборы для испытания на твердость обладают высокой производительностью (до 100 испытаний в час), значительно превышающей производительность других испытательных машин. Твердость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство металла, отличающееся от других его механических свойств способом измерения. Преимущества метода измерения твердости: 1. Между твердостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом, пределом прочности) существует количественная зависимость.

42

43

Содержание отчета

Испытуемый образец или деталь должны иметь подготовленную гладкую плоскую площадку. Толщину испытуемого образца или изделия выбирают такой, чтобы на обратной стороне образца (изделия) не было заметных следов деформаций. Нагрузку следует прилагать по оси вдавливания наконечника перпендикулярно к испытуемой поверхности. При вдавливании наконечника с малыми нагрузками требуется более совершенная обработка поверхности.

Величина твердости характеризует предел прочности металлов, получающих в испытаниях на растяжение сосредоточенную пластическую деформацию (образование шейки). Такая пластическая деформация аналогична деформации, создаваемой в поверхностных слоях металла при измерении твердости вдавливанием наконечника. В ряде случаев и у хрупких металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между пределом прочности и твердостью. 2. По значениям твердости можно определять и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии. 3. Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специальных образцов и могут выполняться непосредственно на проверяемых деталях. 4. Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения контролируемой детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов из детали. 5. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых способов измерения твердости) десятых долей миллиметра, или в микрообъемах металла (метод измерения микротвердости). В последнем случае можно измерять твердость отдельных структурных составляющих в сплавах. Поскольку при измерении твердости в большинстве случаев детали не разрушаются, то эти измерения можно применять для сплошного контроля деталей, в то время как определение характеристик прочности и пластичности проводят в качестве выборочного контроля. Методы испытания на твердость – вдавливание, царапание, качание, упругая отдача, магнитный. Наиболее распространенным является метод вдавливания, при котором твердость определяют: 1) по величине поверхности отпечатка от вдавливания стального шарика при испытании на прессе Бринелля; 2) по глубине отпечатка при вдавливании алмазного конуса или стального шарика при испытании на приборе Роквелла.

Диаметр отпечатка измеряют специальной лупой, имеющей шкалу с ценой деления 0,1 мм. Диаметр шарика может быть различным и выбирается в зависимости от толщины испытуемого материала; твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки Р и d2 (табл. 5.1). Важные факторы, влияющие на полученный результат, – скорость приложения нагрузки и время выдержки образца под нагрузкой. Они должны быть строго определенными. Диаметр шарика, нагрузку, продолжительность ее приложения и время выдержки определяют по ГОСТу.

44

45

1. Определение твердости способом Бринелля Твердость по способу Бринелля определяют путем вдавливания в испытуемый образец стального закаленного шарика диаметром D под действием заданной нагрузки Р в течение определенного времени (рис. 5.1). В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Отношение давления Р к поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента) дает число твердости обозначаемое НВ, кг/мм2. НВ = Р/F. Поверхность шарового сегмента, мм2,

F

SD( D  D 2  d 2 ) , 2

(5.1)

а число твердости по Бринеллю будет выражаться формулой

HB

2P SD( D  D 2  d 2 )

.

(5.2)

P

D

h

d

Рис. 5.1. Схема определения твердости по способу Бринелля Таблица 5.1 Минимальная толщина испытываемого образца, мм Черные От 6 до 3 металлы От 4 до 2 Менее 2 Более 6 То же 1400 От 6 до 3 Менее 3 Цветные От 6 до 3 металлы 1300 От 4 до 2 Менее 2 От 9 до 3 То же 350–1300 От 6 до 3 Менее 6 Цветные 80–350 Более 6 металлы От 6 до 3 и сплавы Менее 1

Материал

Интервал твердости в числах Бринелля, МПа 1400–1500

СоотноДиаНагрузшение метр ка между на- шарика, Р, Н грузкой и мм диаметром шарика Р = 300 D2 Р = 100 D2 Р = 300 D2 Р = 100 D2 Р = 25 D2

10,0 5,0 2,5 10,0 5,0 2,5 10,0 5,0 2,5 10,0 5,0 2,5 10,0 5,0 2,5

30 000 7500 1875 10 000 2500 625 30 000 7500 1875 10 000 2500 625 2500 625 156

Выдержка под нагрузкой, с

10 10 30 30 60

Условия испытания записывают следующим образом: НВ 10/30 000/30 означает, что испытание проводили шариком D = 10 мм под нагрузкой 30 000 Н и с выдержкой t = 30 с. Как уже указывалось, между твердостью по Бринеллю НВ и пределом прочности В существует количественная зависимость: 46

= 3,5 НВ (МПа) для углеродистых сталей в нормализованном В состоянии; = 3,6 НВ для низколегированных конструкционных сталей в улучВ шенном состоянии; = 5,5 НВ для меди, латуни и бронзы в отожженном состоянии; В = 4,0 НВ для тех же сплавов в наклепанном состоянии. В Для алюминия и его сплавов с твердостью 20...45 НВ В = 3,5 НВ, для дуралюмина отожженного В = 3,6 НВ, а после закалки и старения = 3,5 НВ. НВ принимается в кгс/мм2, тогда В выражается в МПа. В Чтобы избежать длительных вычислений, на практике пользуются готовыми таблицами с заранее подсчитанными значениями твердости для отпечатков разных диаметров, полученных при разных нагрузках. Перед испытанием поверхность образца обрабатывают, чтобы она была гладкой, без окалины и других дефектов. К недостаткам способа Бринелля следует отнести невозможность испытаний: металлов, имеющих твердость свыше 4500 МПа, при этом будет деформироваться сам стальной закаленный шарик и результаты испытатвердости мелких деталей и тонкого поверхностного слоя (менее 1...2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой металла. Практическую часть раздела рекомендуется выполнять в такой последовательности: 1) изучить работу твердомера; 2) очистить поверхность образцов от загрязнения и окалины с помощью напильника или на шлифовальном круге; 3) выбрать в зависимости от заданных условий испытаний диаметр шарика, нагрузку и время выдержки под нагрузкой; 4) закрепить наконечник с шариком в шпинделе пресса установочным винтом; 5) установить на подвеску твердомера требуемое для испытания количество сменных грузов; 6) установить упор на нужную продолжительность выдержки и закрепить стопорным винтом; 7) установить на столик испытуемый образец и вращением маховика поднять его до упора в наконечник с шариком, прикладывая этим предварительную нагрузку, равную 1000 Н, при этом центр будущего отпечатка должен находиться на расстоянии не менее диаметра шарика от края образца, а от центра соседнего отпечатка – не менее двух диаметров шарика; 47

8) нажать на спусковую кнопку и привести в действие электродвигатель, передавая нагрузку на образец; 9) после автоматического выключения электродвигателя опустить столик, снять образец и измерить диаметр отпечатка при помощи лупы в двух взаимно перпендикулярных направления. Диаметр отпечатка измеряют с точностью до 0,5 мм при испытании шариком диаметром 10,5 мм и с точностью до 0,01 мм при испытании шариком диаметром 2,5 мм; 10) по величине диаметра отпечатка в таблице найти число твердости НВ; 11) результаты испытания занести в протокол испытаний (табл. 5.2).

Р1 Р0

Р0

h0

Р0 Р0

h

Таблица 5.2

Материал образца

Диаметр Диаотпеметр чатка d, ша- Нагрузка мм рика Р, Н D, мм d1 d2

Твердость по Бринеллю, МПа

НВ1

НВ2

Предел прочности σв, МПа

НВ ср НВ расч

Рис. 5.2. Схема определения твердости по способу Роквелла

Предварительная нагрузка дается для того, чтобы исключить влияние различной степени частоты измеряемой поверхности на результаты измерений. Величина окончательной нагрузки выбирается в зависимости от применяемого наконечника и твердости испытуемого материала (табл. 5.3). Таблица 5.3

2. Определение твердости способом Роквелла Измерение твердости по способу Роквелла производят путем вдавливания алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р0 и основной Р1. Общая нагрузка Р равна сумме предварительной и основной: Р = Р0 + Р1 (рис. 5.2). Предварительная нагрузка Р0 во всех случаях равна 100 Н, а основная Р и общая Р при вдавливании: стального шарика (шкала В) Р1 = 900 Н; Р = 100 + 900 = 1000 Н; алмазного конуса (шкала С) Р1 = 1400 Н; Р = 100 + 1400 = 1500 Н; алмазного конуса (шкала А) Р1 = 500 Н; Р = 100 + 500 = 600 Н.

48

Примерная твердость ОбозначеФорма Общая на- Обозначе(по Бри- ние шкалы наконечгрузка, ние твернеллю), Роквелла ника Н дости МПа Свыше Алмазный А 600 НRA 7000 конус

Пределы измерения, усл. ед. 70…65

2300…7000

С

То же

1500

НRC

20…67

600…2300

В

Стальной шарик

1000

НRB

25…100

За меру твердости по Роквеллу принята разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания шарика или конуса под действием предварительной и общей нагрузок. Для численной характеристики твердости введена условная шкала с цифрами, нанесенными в порядке, 49

обратном движению стрелки в момент приложения нагрузки. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм (цена одного деления). Таким образом, твердость по Роквеллу при вдавливании алмазного конуса выражается числом делений условной шкалы по формуле: HRC 100 –

h–h0 , c

(5.3)

а при вдавливании шарика число твердости определяется по формуле HRB 130 –

h–h0 , c

(5.4)

где h – глубина внедрения шарика или конуса в испытуемый металл под действием общей нагрузки Р; h0 – глубина внедрения шарика или конуса в испытуемый металл под действием предварительной нагрузки P0; c – постоянная, равная 0,002 мм. Индикатор прибора имеет две шкалы: черную – для испытаний алмазным конусом при различных основных нагрузках и красную – для испытаний шариковым наконечником. Красная шкала смещена относительно нулевого деления черной шкалы на 30 делений в направлении, противоположном движению стрелки индикатора при внедрении наконечника. Это смещение сделано по той причине, что глубина вдавливания шарика часто превышает 0,2 мм, т. е. стрелка при вдавливании делает поворот более чем на 100 делений (при очень мягком материале). Определение твердости на приборе Роквелла имеет широкое применение, поскольку на нем можно испытать как мягкие, так и твердые, а также тонкие материалы. Шкала С используется при испытаниях сталей твердостью HRC = 20...70 и тонких поверхностных слоев толщиной свыше 0,5 мм, шкала А – при испытании твердых сплавов твердостью свыше HRC = 70, тонкого листового материала и для измерения твердости тонких поверхностных слоев (0,3...0,5 мм). Число HRA можно перевести в число HRC по формуле: HRC = 2HRA – 104.

50

(5.5)

Шкала В применяется при испытании металлов средней твердости и изделий толщиной от 0,8 до 2 мм. Числа твердости по Роквеллу можно приближенно пересчитать в числа твердости по Бринеллю. На основании экспериментальных данных установлена следующая зависимость: НВ = 100 HRC

(5.6)

в интервале твердости 2000...4500 МПа по Бринеллю, где HB – твердость по Бринеллю; HRC – твердость по Роквеллу (шкала С). Для перевода числа твердости по Роквеллу с одной шкалы на другую пользуются специальными справочными таблицами. Поверхности образцов (как испытуемая, так и опорная) должны быть плоскими, параллельными друг другу, отшлифованными, без окалины, забоин и т. п. К достоинствам способа Роквелла следует отнести высокую производительность (время испытания 30...60 с, результат испытания считается прямо на шкале прибора), простоту обслуживания, точность измерения и сохранение качественной поверхности после испытания. Этот способ не рекомендуется применять для определения твердости неоднородных по структуре сплавов, криволинейных поверхностей и для испытания деталей, которые под действием нагрузки могут деформироваться. Практическую часть раздела рекомендуется выполнять в такой последовательности: 1) изучить работу твердомера; 2) подготовить образцы к испытанию так же, как и при испытаниях на приборе Бринелля; 3) подобрать наконечник и закрепить его в шпинделе при помощи установочного винта; 4) подобрать и подвесить грузы соответственно выбранному наконечнику и шкале, по которой предполагается вести испытание (см. табл. 5.3); 5) установить испытуемый образец на столик прибора; 6) вращением маховика постепенно подвести испытуемую поверхность образца до соприкосновения с наконечником, а затем дальнейшим его вращением произвести предварительное нагружение Р0 до тех пор, пока малая стрелка индикатора не совпадет с красной точкой на шкале. Если она значительно перейдет за красную точку (влево), то необходимо загрузить прибор, выбрать на испытуемой поверхности другое место и начать испытание заново. Затем необходимо повернуть ободок индикатора до совпадения нулевой отметки черной шкалы с большой стрелкой; 51

7) слегка нажать на платформу и тем самым произвести нагружение образца через наконечник общей нагрузкой (предварительная Р0 плюс основная Р1). В это время большая стрелка поворачивается против часовой стрелки после секундной выдержки в полностью нагруженном состоянии, происходит автоматическое снятие нагрузки Р1, во время которого большая стрелка движется по часовой стрелке; 8) после полной остановки стрелки произвести отсчет числа твердости по соответствующей шкале индикатора: в случае применения алмазного наконечника – по черной шкале С или А, при шариковом наконечнике – по красной шкале В; 9) результаты испытаний внести в протокол испытаний (табл. 5.4); Таблица 5.4 Наименование материала

Нагрузка Р, Н

Шкала

ТверИзмерение твердости по Рокдость по веллу, HR Среднее Бринел1 2 3 значелю НВ, МПа ние

10) вращением маховика против часовой стрелки опустить столик и снять образец. Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Краткое описание способов измерения твердости. 3. Схемы, иллюстрирующие способы проведения испытаний. 4. Таблицы значений твердости по результатам измерений. 5. Определение предела прочности металла по значениям твердости. 6. Выводы по работе.

52

Лабораторная работа № 6 ЗАКАЛКА СТАЛИ Цель лабораторной работы – изучение влияния термической обработки на механические свойства стали. В процессе выполнения лабораторной работы необходимо: 1) изучить превращения переохлажденного аустенита углеродистой стали; 2) освоить методику проведения термической обработки; 3) экспериментально определить оптимальную температуру закалки углеродистой стали. Оборудование участка лабораторной работы: оборудование – нагревательные печи, приборы для испытания образцов на твердость – по методу Роквелла и ультразвуковой твердомер, бак с водой, щипцы, рукавицы, штангенциркуль; материалы – образцы из углеродистой стали, наждачная бумага; плакаты – диаграмма состояния железо – цементит, диаграмма справочная литература – справочники, ГОСТы. Термической обработкой называют процессы теплового воздействия на материалы в целях изменения их структуры и свойств в заданном направлении. Структура сплавов, в основном, определяется термической обработкой, заключающейся в нагреве сплавов до различных температур и охлаждении их с различными скоростями. При этом свойства сплавов изменяются в широких пределах. 1. Превращения в стали при охлаждении Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температур выше линии GS (доэвтектоидная сталь) или выше линии SE (заэвтектоидная сталь), переохладить до температур ниже критической точки А1, то аустенит претерпевает превращения. Ниже температуры 727 °С аустенит неустойчив, так как его свободная энергия выше свободной энергии продуктов его превращения. Наи53

K2 t2

50

H2

0

K1

t3 H3

10

б

K3

10

t1 H1

2

10

3

10

4

H1

10

5

Промежу- Перлитное точное (превращения)

100

K1

Как видно на рисунке, по истечении определенного промежутка времени (инкубационный период), различного для каждой из температур, аустенит начинает распадаться с образованием ферритно-цементитной смеси – перлита. Твердость и прочность ферритно-цементитной смеси прямо пропорциональны площади поверхности раздела между ферритом и наиболее твердой фазой – цементитом. Поэтому с увеличением степени дисперсности (чем тоньше пластинки) ферритно-цементитной смеси, т. е. с понижением температуры его распада, твердость, предел прочности, текучести и выносливости возрастают. Образующаяся при небольшом переохлаждении аустенита крупнопластинчатая ферритно-цементитная смесь называется перлитом. При большем переохлаждении среднепластинчатую смесь называют сорбитом, а тонкопластинчатую смесь – трооститом. Однако указать границы перехода от одной структуры к другой невозможно, так как толщина пластинок меняется непрерывно. При переохлаждении эвтектоидной стали до 240 °С диффузионные процессы настолько затруднены, что аустенит не распадается, а лишь испытывает аллотропическое превращение без изменения состава. Образующая структура называется мартенситом. Следователь-

Рис. 6.1. Построение диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита для стали с 0,8 % С: а – кинетические кривые; б – диаграмма изотермического превращения аустенита

да в -железо. Мартенсит закалки имеет не кубическую, а тетрагональную решетку. Степень тетрагональности зависит от содержания углерода в стали. Мартенситное превращение возможно только в случае, если сталь охлаждается со скоростью, обеспечивающей переохлаждение аустенита до низких температур, при которых не протекают диффузионные процессы. Мартенситное превращение начинается при определенной температуре, называемой температурой начала мартенситного превращения (Мн) и протекает в широком интервале температур. По достижении определенной для каждой стали температуры дальнейшее превращение аустенита в мартенсит прекращается. Эта температура называется концом мартенситного превращения и обозначается Мк. Положение точек Мн и Мк не зависит от скорости охлаждения и определяется только химическим составом аустенита. Вследствие сильного искажения кристаллической решетки -железа внедренными в нее атомами углерода мартенсит обладает высокой твердостью и низкой пластичностью.

54

55

727

Температура,°С

H2 600

K2

400

H3

Mн

200

K3

0

A

Mк

-200

Мартенситное

а

Количество распавшегося аустенита, %

более полное представление о превращениях аустенита при различных степенях его переохлаждения дает диаграмма изотермического распада аустенита (С–диаграмма). Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответствующих существованию стабильного аустенита (т. е. выше критической точки), а затем быстро охлаждают до температуры 700, 600, 500 °С и выдерживают при каждой из перечисленных температур до полного или частичного распада аустенита, после чего охлаждают в воде. По результатам строят кривую, которая показывает количество распавшегося аустенита в зависимости от времени, прошедшего с момента начала распада (рис. 6.1).

M M

0

10

10

2

3

10

10

4

10

5

Мартенситное превращение сопровождается увеличением объема стали, что является основной из причин возникновения при закалке больших напряжений, вызывающих деформацию или даже появление трещин. Минимальная скорость, при которой аустенит не распадается, а испытывает только мартенситное превращение, называется критической скоростью закалки Vкр. Закалка. Этот вид термической обработки заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры Ас3 + (30…50) °С (полная закалка), а для заэвтектоидной стали до Ас1 + (30…50) °С (неполная закалка), выдержке при этих температурах и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую (рис. 6.2). Закалку проводят в целях достижения высокой твердости, износостойкости и прочности. Закалка не является окончательной операцией. Для того чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску. t, qC

Мн

Мн

Рис. 6.2. Схема закалки стали

Неполная закалка доэвтектоидной стали применяется весьма редко. Дело в том, что в структуре этой стали, нагретой до температуры Ас1 + (30…50) °С, наряду с аустенитом всегда будут находиться и зерна феррита. В результате быстрого охлаждения аустенит перейдет в мартенсит, а феррит никаких превращений претерпевать не будет и поэтому сохранится в структуре закаленной стали. Присутствие мягкого феррита в структуре закаленной стали существенно снизит ее твердость. 56

Заэвтектоидные стали, наоборот, подвергаются обычно неполной закалке, после которой в их структуре, наряду с мартенситом, будет находиться еще и очень твердый вторичный цементит. Сталь с такой структурой обладает высокой твердостью и износостойкостью по сравнению со сталью после полной закалки. Экспериментально температура закалки может быть определена по изменению твердости стали, закаленной с различных температур. Например, для доэвтектоидной стали начало резкого повышения твердости соответствует пересечению линии Ас1, а максимальное значение твердости достигается закалкой с температуры Ас3, когда в структуре закаленной стали фиксируется лишь один мартенсит. 2. Методика проведения термической обработки и исследования ее влияния на механические свойства стали Студенты делятся на подгруппы по 4–6 человек. Каждая подгруппа получает по одному образцу из конструкционной стали, предназначенному для испытаний на твердость. Выбор образцов определяется преподавателем. Термообработку образцов каждая подгруппа проводит самостоятельно по одному из режимов, приведенных в табл. 1 (режим определяет преподаватель), в следующей последовательности: 1. Образец помещается в печь при температуре на 30…50 °С ниже заданной. После достижения заданной температуры и соответствующей выдержки (определяется из расчета 1,5…2 мин на 1 мм толщины образца) при температуре нагрева производится охлаждение образца в воде. Закалка должна проводиться быстро и четко, чтобы образец не успел охладиться и температура закалки соответствовала температуре его нагрева. Образцы, опущенные с помощью щипцов в воду, перемещают в ней (не извлекая из воды) для разрушения образующейся паровой рубашки. 2. После закалки одну плоскость образца зачищают наждачной бумагой от окалины, и на приборе Роквелла или ультразвуковым твердомером замеряют твердость (на каждом образце осуществляют 3 замера и находят среднеарифметическое значение). Полученные значения твердости заносят в таблицу.

57

№

Время Температура Твердость выдержки, Охладитель закалки, ОС по HRC мин

1

650

2

750

3

800

4

850

Структура стали после охлаждения

Лабораторная работа № 7 ОТПУСК СТАЛИ

3. По этим значениям строится график зависимости твердости образца от температуры закалки. 4. На основании полученного графика определяются значения критических точек и оптимальная температура закалки. Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Превращения в стали при охлаждении (конспективно). 3. Таблица значений твердости по результатам измерений. 4. График изменения твердости от температуры закалки. 5. Выводы по работе.

58

Цель лабораторной работы – изучение влияния температуры отпуска на механические свойства стали. В процессе выполнения лабораторной работы необходимо: 1) ознакомиться с рациональным выбором способов термической обработки для улучшения свойств стали; 2) освоить методику проведения термической обработки и исследовать влияние различных видов отпуска на механические свойства стали. Оснащение участка лабораторной работы: оборудование – нагревательные печи, термопары и гальванометры, бак с водой, твердомер Роквелла, щипцы, рукавицы; материалы – образцы для испытаний на твердость; плакаты – диаграмма состояния железо–цементит, схемы прибора Роквелла; справочная литература – справочники, ГОСТы. Термической обработкой называют процессы теплового воздействия на материалы в целях изменения их структуры и свойств в заданном направлении. Термическую обработку применяют и как промежуточную операцию для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием, свариваемости), и как окончательную – для придания требуемых эксплуатационных свойств (твердости, прочности, износостойкости и т. д.). Чем ответственнее конструкция, тем больше в ней термически обработанных деталей. Теория термической обработки стали основана на общей теории фазовых превращений, протекающих в сплавах в твердом состоянии. Знание теории фазовых и структурных превращений, протекающих при нагреве и охлаждении стали с различной скоростью, позволяет управлять процессами термической обработки и получать сталь (деталь, изделие) с необходимыми структурой и свойствами.

59

1. Особенности формирования структуры при различных видах термической обработки стали Структура сплавов, в основном, определяется термической обработкой, заключающейся в нагреве сплавов до различных температур и охлаждении их с различными скоростями. При этом их свойства изменяются в широких пределах. Увеличивая скорость охлаждения, можно так переохладить высокотемпературную фазу, что появляются новые метастабильные фазы, которые не указаны на диаграмме фазового равновесия, как, например, при закалке. Закалку стали мы рассматривали в предыдущей работе, однако закалка не является окончательной операцией, так как закаленная сталь является чрезвычайно хрупкой и содержит значительные по величине остаточные напряжения. Поэтому для их частичного или полного снятия проводится термическая обработка, называемая отпуском стали. 2. Отпуск стали Процесс нагрева закаленной стали до температуры ниже Ас1 с соответствующей выдержкой и последующим охлаждением называется отпуском. В результате отпуска сталь получает требуемые механические свойства, снижаются внутренние напряжения. Получающийся при закалке мартенсит неустойчив и начинает распадаться уже при комнатной температуре. С повышением температуры отпуска этот процесс ускоряется. Температура и время выдержки оказывают значительное влияние на получаемые свойства. Различают три вида отпуска. Низкотемпературный отпуск проводят с нагревом до 150...250 °С. Из мартенсита выделяется углерод в виде карбида железа переменного состава. Такой мартенсит называется мартенситом отпуска. Низкий отпуск повышает прочность и улучшает вязкость без снижения твердости, поэтому низкотемпературному отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а также детали, прошедшие поверхностную закалку или цементацию. С повышением температуры процесс выделения углерода из мартенсита ускоряется, и при температурах 350...400 °С весь избыточный углерод выделяется из мартенсита в виде цементита Fe3С, а мартенсит превращается в феррит. Таким образом, образуется механическая смесь феррита и цементита. Дисперсность этой смеси зависит от темпе60

ратуры отпуска, так как с повышением температуры отпуска начинается коагуляция (укрупнение) карбидов. Структура стали после среднего отпуска (300...500 °С) называется трооститом отпуска. Среднему отпуску подвергают детали, от которых требуются высокие упругие свойства (рессоры, пружины). Структура после высокого отпуска (500...650 °С) называется сорбитом отпуска. Таким образом, троостит, сорбит и перлит – это ферритно-цементитные механические смеси, отличающиеся друг от друга лишь дисперсностью карбидных частиц, а следовательно, и механическими свойствами. Высокий отпуск полностью снимает внутренние напряжения и значительно повышает ударную вязкость. Прочность и твердость при этом снижаются, но остаются значительно более высокими, чем после отжига, поэтому высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Закалка с высоким отпуском по сравнению с отжигом повышает также пределы прочности и текучести, относительные удлинение и сужение (пластичность) и ударную вязкость. Объясняется это тем, что структуры, получающиеся при распаде аустенита в процессе его охлаждения, имеют пластинчатое строение, а структуры, образующиеся при распаде мартенсита и аустенита, при нагреве имеют зернистое строение. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется по этим причинам улучшением. Улучшению подвергаются ответственные детали, испытывающие статические, ударные и знакопеременные нагрузки. Практическая часть раздела выполняется следующим образом: 1. Студенты делятся на группы по 4–6 человек. Каждая подгруппа получает по одному образцу из конструкционной стали. 2. Выданные образцы подвергаются закалке. Закалка должна проводиться быстро и четко, чтобы образец не успел охладиться и температура закалки соответствовала температуре его нагрева. Образцы, опущенные с помощью щипцов в воду, перемещают в ней (не извлекая из воды!) для разрушения образующейся паровой рубашки. 3. Закаленные образцы испытывают на твердость, после чего их помещают в печь и подвергают отпуску при температуре 200, 400 и 600 оС. 4. После отпуска образцы подвергаются испытаниям на твердость на приборе Роквелла. Данные испытаний заносятся в таблицу, на основании которых строится график изменения твердости от температуры отпуска. 61

Вид термообработки

Температура нагрева, оС

Закалка

–

Время выдержки, мин

Оглавление Охлаждающая среда

Твердость, HRC

200 Отпуск

400 600

Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Превращения в стали при отпуске. 3. Таблица значений твердости по результатам измерений. 4. График изменения твердости от температуры отпуска. 5. Выводы по работе.

62

ПРЕДИСЛОВИЕ .......................................................................................................3 Лабораторная работа № 1. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО– ЦЕМЕНТИТ .............................................................................................................4 Лабораторная работа № 2. МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СТРОЕНИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ ................14 Лабораторная работа № 3. МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СТРОЕНИЯ ЧУГУНОВ .......................................................................................24 Лабораторная работа № 4. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА И ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ ..............................................31 Лабораторная работа № 5. ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛОВ НА ТВЕРДОСТЬ ..43 Лабораторная работа № 6. ЗАКАЛКА СТАЛИ ...................................................53 Лабораторная работа № 7. ОТПУСК СТАЛИ ....................................................59

63

Учебное издание Гордиенко Валерий Евгеньевич Гордиенко Евгений Григорьевич Степанов Сергей Александрович Кнышев Юрий Владимирович Орлов Аркадий Парфентьевич Жигарь Людмила Ивановна

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Часть I МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Учебное пособие Редактор О. Д. Камнева Корректор А. Г. Лавров Компьютерная верстка И.А.Яблоковой Подписано к печати 15.10.09. Формат 60×84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 3,7. Уч.-изд. л. 4,0. Тираж 1000 экз. Заказ 108. «С» 50. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт–Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.

64