Методы исследования фазового состава и свойств углеродистой стали
Покупка
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Издательство:
Издательство Уральского университета
Автор:
Катаев Василий Анатольевич
Науч. ред.:
Васьковский Владимир Олегович
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 84
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7996-1664-9
Артикул: 798490.01.99
Доступ онлайн
В корзину
В учебно-методическом пособии рассмотрены физические и методические основы изучения структурно-фазового состояния конструкционных сталей. Содержатся задания для изучения взаимосвязи структурного состояния и магнитных и электрических свойств образцов стали, закаленных от разных температур. Для студентов, изучающих курсы «Материаловедение», «Методы неразрушающего контроля».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 03.03.02: Прикладная математика и информатика
- 27.03.01: Стандартизация и метрология
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Екатеринбург Издательство Уральского университета 2016 Министерство образования и науки российской Федерации уральский Федеральный университет иМени первого президента россии б. н. ельцина в. а. катаев Методы исследования Фазового состава и свойств углеродистой стали рекомендовано методическим советом урФу в качестве учебно-методического пособия для студентов, обучающихся по программе бакалавриата по направлениям подготовки 27.03.01 «стандартизация и метрология», 03.03.02 «Физика»
© уральский федеральный университет, 2016 ISBN 978-5-7996-1664-9 р е ц е н з е н т ы : с. М. з а д в о р к и н , кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией технической диагностики института машиноведения уро ран; М. б. р и г м а н т, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник института физики металлов уро ран н ау ч н ы й р е д а к т о р в. о. в а с ь ко в с к и й, доктор физико-математических наук, профессор удк 620.22(07) ббк 30.3я7 к29 Катаев, В. А. Методы исследования фазового состава и свойств углеродистой стали : [учеб.-метод. пособие] / в. а. катаев ; [науч. ред. в. о. вась- ковский] ; М-во образования и науки рос. Федерации, урал. федер. ун-т. — екатеринбург : изд-во урал. ун-та, 2016. — 84 с. ISBN 978-5-7996-1664-9 в учебно-методическом пособии рассмотрены физические и методические основы изучения структурно-фазового состояния конструкционных сталей. содержатся задания для изучения взаимосвязи структурного состояния и магнитных и электрических свойств образцов стали, закаленных от разных температур. для студентов, изучающих курсы «Материаловедение», «Методы неразрушающего контроля». к29 удк 620.22(07) ббк 30.3я7
углеродистая сталь (сплав железа с углеродом) является наиболее распространенным в применении конструкционным материалом. Физические свойства стали определяются ее структурным и фазовым состоянием, которое регулируется с помощью термообработки. при медленном охлаждении стали от высоких температур, где равновесной фазой является аустенит, до комнатной температуры в равновесном состоянии формируются только фазы феррит и цементит. для улучшения механических свойств стали ее подвергают специальной термообработке, сопровождающейся быстрым охлаждением, называемой закалкой. при этом в результате распада аустенита в условиях ограничения диффузионной подвижности атомов формируется фаза мартенсит, обеспечивающая высокие ме- ханические свойства стали. подвергнутое закалке стальное изделие приобретает высокую твердость и прочность. однако возможное частичное сохранение переохлажденного аустенита может оказы- вать существенное влияние на уровень свойств закаленной стали, диктуя необходимость контроля ее фазового состава. дальнейшее регулирование свойств стали путем воздействия на ее фазовый состав и морфологическое строение осуществляют с помощью до- полнительной термообработки — отпуска. структурно-фазовое состояние стали после закалки определяет не только ее механические, но и магнитные и электрические свой- ства. изучение связи между температурой закалки и физическими свойствами стали позволяет разрабатывать методы и средства неразрушающего контроля структурного состояния стальных Предисловие
изделий, обеспечивая необходимый уровень их эксплуатационных характеристик. семейство сталей чрезвычайно разнообразно, что соответству- ет требованиям, предъявляемым к сталям в различных условиях и режимах эксплуатации. для удовлетворения этих требований сплав железо-углерод, который является основой, модифицируют различными добавками других элементов — легируют, обеспечивая такие свойства как жаропрочность, коррозионная стойкость, соче- тание повышенной упругости и твердости и пр. в зависимости от вводимых элементов стали принято называть уже не углеродистыми, а легированными и, соответственно, марганцовистыми, хромонике- левыми, азотистыми и т. п. в целом все эти стали определяют как конструкционные. представленное учебно-методическое пособие можно разделить на три логические части. первая посвящена изложению теоретиче- ских представлений о фазовом и структурном состоянии сплавов Fe-C, обзору методов исследования структуры и классификации сталей. вторая часть представляет собой задания для выполнения четырех конкретных практических работ, при этом каждое задание снабжено подробным анализом методики проведения измерений и описанием измерительной установки. третья часть — приложе- ния, она включает технические и метрологические характеристики используемых при выполнении заданий приборов. такая структура пособия направлена на создание условий, в которых студенты могли бы полностью самостоятельно выполнить работу и подготовить содержательный отчет. практические задания построены как единое небольшое исследование, замысел которого был предложен старейшим преподавателем кафедры и. а. кузнецовым (1919–2010). пособие подготовлено к печати при содействии сотрудников е. а. Михалицыной и н. в. баева, которым автор выражает свою признательность.
ЗАКАлКА углеродистой стАли основой для изучения любого способа термической обработки стали, в том числе и закалки, является диаграмма железо-углерод (с концентрацией до 2,14 % с) (рис. 1). рис. 1. «стальной» участок диаграммы Fe-C влияние темПературы закалки на фазовый состав, электрические и магнитные свойства стали t, °C 1100 1000 911 900 800 Феррит 700 Q E R Acm A3 A1 P G аустенит аустенит + феррит аустенит + цементит II Феррит + цементит III с, мас.% Феррит + перлит перлит + цементит 0,2 0,4 0,6 08, 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,14 2,2 727 S 1147
нижняя критическая точка А1 лежит на линии PSK и соответ- ствует превращению аустенит ↔ перлит (Ас1 при нагреве и Аr1 при охлаждении). верхняя критическая точка А3 лежит на линии GSE и соответствует началу растворения (Ас3) или концу выпадения (Аr3) феррита в доэвтектоидных сталях или цементита в заэвтектоидных сталях. при нагреве до температур выше Ас3 сталь приобретает аустенитное строение, при котором находится в наиболее мягком и пластичном состоянии. в условиях медленного охлаждения при температуре Аr1 аустенит распадается на феррит + цементит. с увеличением скорости охлаждения превращение происходит при более низких температурах. Феррито-цементитная смесь по мере снижения Аr1 становится все более мелкодисперсной и твердой. если же скорость охлаждения так велика, а переохлаждение настолько значительно, что выделение феррита и цементита не произошло, то и распада твердого раствора не происходит, и аустенит (γ-твердый раствор) превращается в мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Мартенситное превращение носит бездиффузионный характер, происходит лишь перестройка гцк решетки аустенита в оцк решетку α-железа за счет сме- щения атомов на расстояния, меньшие параметра решетки. при этом углерод не выделяется из твердого раствора, что приводит к искажению кубической решетки до тетрагональной. Чем больше было углерода в аустените, тем большую степень тетрагональности имеет кристаллическая решетка мартенсита, тем выше твердость закаленной стали. закалкой называется нагрев стали выше критической точки Ас3, вы- держка при температуре нагрева и охлаждение со скоростью больше критической. образующийся при закалке мартенсит имеет ориентированную игольчатую структуру и обладает высокой твердостью и упругостью. твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания углерода. так, в стали с содержанием 0,6–0,7 % с твердость мартен- сита составляет HRC 60 (HV 960), это в шесть раз больше твердости феррита. при этом предел прочности достигает 260 кгс/мм2.
закалку стали производят с целью повышения ее твердости и проч- ности. при закалке наряду с изменением механических свойств из- меняются также электрические и магнитные свойства стали. результат закалки во многом зависит от правильного выбора тем- пературы нагрева. если температура нагрева доэвтектоидной стали будет ниже Ас1, то ее твердость не повысится, так как отсутствуют фазовые превращения, и структура будет представлять собой сово- купность фаз феррит + перлит. при нагреве стали незначительно выше Ас1 сталь имеет структуру феррит + аустенит. в результате быстрого охлаждения аустенит превращается в мартенсит, и сталь будет иметь структуру феррит + мартенсит. более высокий нагрев в этой же области приводит к увеличению доли аустенита, а после быстрого охлаждения — к увеличению доли мартенсита, что сопро- вождается соответствующим увеличением твердости стали. при нагреве выше температуры Ас3 получают аустенитную структуру, а в результате быстрого охлаждения — мартенсит. закалка от температуры на 30–50 °с выше Ас3 называется полной. нагрев доэвтектоидной стали перед закалкой на 70–100 °с вреден, поскольку приводит к росту зерна аустенита, а после быстрого охлаж- дения — к образованию крупноигольчатого мартенсита. одновремен- но в структуре стали сохраняется некоторое количество остаточного аустенита. в результате снижаются твердость и прочность стали. в эвтектоидной и заэвтектоидной сталях нагрев ниже Ас1 так- же не вызывает изменения структуры, а следовательно, твердость не растет. при нагреве выше Ас1 эвтектоидная сталь получает струк- туру аустенита, а заэвтектоидная — структуру аустенита и цементи- та. после закалки эвтектоидная сталь имеет структуру мартенсита, а заэвтектоидная — структуру мартенсита и цементита. кроме того, в структуре этих сталей будет присутствовать некоторое количество остаточного аустенита. если заэвтектоидную сталь для закалки нагреть выше Acm, то после закалки в ее структуре будет содержаться крупноигольчатый мартенсит с повышенным количеством остаточного аустенита. заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке, т. е. нагревают выше Ас1 на 50–70 °с.
превращение аустенита в мартенсит при закалке происходит в определенном температурном интервале, ограниченном мар- тенситными точками MH (начало превращения) и MK (конец пре- вращения), и может быть наглядно изображено так называемой мартенситной кривой (рис. 2а). при переохлаждении до MH аустенит начинает превращаться в мартенсит. скорость роста зародышей мартенсита лежит в пределах 1000–7000 м/с. превращение аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема. Чтобы мартенсит- ное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже MH. если охлаждение прекратить, то превращение сразу останавливается. при достижении определенной для каждой стали температуры MK превращение аустенита в мартенсит прекращает- ся. положение точек MH и MK не зависит от скорости охлаждения и определяется химическим составом аустенита. Чем больше в нем углерода, тем ниже лежат точки MH и MK (рис. 2б). из приведен- ных данных видно, что к моменту охлаждения стали до комнатной температуры далеко не весь аустенит переходит в мартенсит. Этот аустенит обычно называют остаточным. количество остаточного аустенита определяется химическим со- ставом и условиями закалки стали. оба эти фактора изменяются даже для стали одной и той же марки — за счет плавочных отклонений в количестве углерода, легирующих элементов и примесей, вследствие различной массы и формы изделий, не строго одинаковых режимов нагрева и ох- лаждения, различной исходной структуры и т. п. поэтому нельзя заранее точно указать количество остаточного аустенита, которое сохранится в той или иной закаленной детали. средне- и высокоуглеродистые стали после закалки с охлаждени- ем до комнатной температуры сохраняют значительные количества остаточного аустенита (до 15–25 %). легирующие элементы в большинстве случаев (за исключени- ем кобальта и алюминия) понижают точки MH и MK, т. е. способ- ствуют увеличению количества аустенита. в высокохромистых сталях, закаленных от высоких температур, сохраняется до 90 % аустенита.
присутствие остаточного аустенита в закаленной стали, особенно в повышенном количестве, приводит к ряду нежелательных явлений1: а) понижение твердости и прочности; б) ухудшение многих физических свойств, особенно тепловых и магнитных; в) изменение с течением времени размеров готового изделия. 1 Это положение не относится к сталям аустенитного класса, имеющим специ- альное назначение, например, немагнитной, нержавеющей, жаропрочной и др. рис. 2. Мартенситные кривые для низкоуглеродистой (а) и высокоуглеродистой (б) стали 100 80 60 40 20 0 80 60 40 20 0 + 200 + 20 – 100 температура, °с Мк Мн Мк аост Мн аост а б 0 20 40 60 80 20 40 60 80 100 количество мартенсита, % количество аустенита, % аост
Доступ онлайн
В корзину