Методология применения физических и механических способов контроля на примере среднеуглеродистой стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Курсовая работа

«Методология применения физических и механических способов контроля на примере среднеуглеродистой стали»



Оглавление

1. Введение

2. Литературный обзор

3. Проводимые испытания и расчёты ( экспериментальная часть)

3.1 Изготовление металлографических шлифов

3.2 Дилатометрический анализ

3.3 Выбор оптимального режима термической обработки стали

3.4 Определение механических свойств стали

3.5 Изучение микроструктуры металла с использованием растрового электронного микроскопа (РЭМ)

3.6 Рентгеноструктурный анализ (РСА)

4. Вывод

5.Список использованной литературы



1.Введение

Цель работы: Целью данной курсовой работы является получение навыков исследования стали: определение марки стали, выбора оптимальных режимов термообработки для данной стали; определение механических свойств, освоение методик микроскопического, дилатометрического и рентгеноструктурного анализа, анализа структуры изломов.

Задача:

- освоить технику приготовления шлифа и методику выявления его микроструктуры;

- ознакомиться с опытом изучения и анализа характера микроструктуры исследуемой стали;

- провести испытания и дать заключение по исследуемой стали.



2.Литературный обзор

Среднеуглеродистая сталь - это сталь с содержанием углерода от 0,3-0,5 % углерода, т.е. доэвтектоидная сталь - состоит из феррита и перлита. С ростом содержания углерода увеличивается твёрдость и прочность и уменьшается вязкость и пластичность стали.

Углеродистые стали выплавляются в электропечах, мартеновских печах и кислородных конвекторах. По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали. При одинаковом содержании углерода эти стали имеют близкие величины прочностных свойств и различаются значениями характеристик пластичности. Свойства углеродистых сталей зависят от содержания основного элемента - углерода, а также от содержания постоянных и скрытых примесей.

Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость, а также способность деформироваться в горячем и, особенно в холодном состоянии, но литейные свойства улучшаются.

Среднеуглеродистые стали лучше всего обрабатываются резанием.[ 1 ]

В углеродистой стали кроме основных компонентов (железа и углерода) присутствует ряд примесей Мn, Si, S, P и др. Присутствие разных примесей объясняется соответствующими причинами. Мп и Si в десятых долях процента переходят в сталь в процессе ее раскисления; S и Р в сотых долях процента остаются в стали из-за трудности их полного удаления; Сr и Ni переходят в сталь из шихты, содержащей легированный металлический лом, и допускаются в количестве не более 0,3 % каждого. Таким образом, сталь фактически является многокомпонентным сплавом. Допустимые количества примесей в сталях регламентируются соответствующими стандартами [ГОСТ 1050-94]. Примеси оказывают влияние на механические и технологические свойства стали. Так, например, Мп и Si повышают твердость и прочность, Р придает стали хладноломкость - хрупкость при нормальной и пониженных температурах, а S - красноломкость, т. е. хрупкость при температурах горячей обработки давлением. Поскольку в сталях допускаются небольшие количества примесей, то их влияние на свойства незначительно. Допустимое содержание Mn не более 0,5- 0,8 %; S не более 0,04 %; P не более 0,035%; Основным элементом, определяющим механические и технологические свойства стали, является углерод. Наиболее простым методом испытания свойств является измерение твердости. Она измеряется путем вдавливания в испытуемый образец твердого наконечника различной формы. Различают следующие методы определения твердости: по Бринеллю (по диаметру отпечатка шарика), по Роквеллу (по глубине вдавливания алмазного конуса или закаленного шарика), по Виккерсу (по диагонали отпечатка алмазной пирамиды). Долговечность материалов из среднеуглеродистой стали определяется испытаниями на усталость, ползучесть и длительную прочность, износ, коррозию и другими методами [ 1]

По назначению среднеуглеродистые стали относятся к конструкционным, сочетающими в себе комплекс механических свойств, и подвергаются улучшению, состоящему из закалки в воде и высокого отпуска при температуре 550-650 ?С. После термообработки имеют структуру сорбита, хорошо воспринимающего ударные нагрузки. Улучшаемые стали имеют высокую прочность и вязкость, малую чувствительность к концентраторам напряжения и хорошую прокаливаемость. Из них получают зубчатые колеса, прокатные валки, штоки, тяжелонагруженные валы, оси, бандажи, малонагруженные пружины и рессоры, лемехи, пальцы звеньев гусениц, муфты сцепления коробок передач, корпуса форсунок и другие детали, работающие на трение[2].



2.1 Микроструктура углеродистых сталей

Рис. 1 Диаграмма состояния Fe - C

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в ?-железе. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку и содержит при нормальной температуре менее 0,006 % углерода. У феррита низкие твердость и прочность, высокие пластичность и ударная вязкость.

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в ? -железе.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fе3C. Он обладает сложной кристаллической решеткой, содержит 6,67 % углерода. Для цементита характерна высокая твердость и очень низкая пластичность.

По сопоставлению с эвтектоидным составом углеродистые стали подразделяются на: доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8 % С и имеют ферритно-перлитную структуру (рис. 2а). Здесь светлые зерна - это феррит, а темные участки представляют собой перлит, являющийся двухфазной структурной составляющей, состоящей из пластинок феррита и цементита.

Количественное соотношение этих структурных составляющих зависит от массовой доли углерода в стали. Поскольку феррит содержит очень мало углерода (менее 0,006 %), то основным носителем углерода в доэвтектоидной стали является перлит, характеризующийся постоянной массовой долей углерода (0,8 %). Поэтому с увеличением в стали массовой доли углерода доля перлита в структуре увеличивается, а феррита соответственно уменьшается. Изменение структуры влечет за собой изменения механических свойств. Направление этих изменений можно определить на основе сопоставления свойств структурных составляющих. Перлит содержит 88 % ферритной фазы и 12 % цементитной и поэтому, по сравнению с ферритной структурной составляющей, обладает большей твердостью и прочностью. Следовательно, с увеличением массовой доли углерода в доэвтектоидной стали увеличивается доля перлита в ее структуре, что приводит к увеличению твердости и прочности и уменьшению пластичности и ударной вязкости.

Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % С и имеет перлитную структуру (рис. 2б) - эвтектоидная смесь феррита и цементита. Перлит любой углеродистой стали содержит 0,8 % С. Строение перлита таково, что дисперсные частицы цементита равномерно расположены в ферритной основе. В литой, горячекатанной и кованой стали присутствует пластинчатый перлит, состоящий из пластинок феррита и цементита. В отожженной стали присутствует зернистый перлит, где цементит находится в форме зернышек. На рис. 2б схематически изображено пластинчатое строение перлита, в котором темные полосы представляют тени на светлом фоне феррита от выступающих после травления шлифа цементитных частиц. При микроскопическом исследовании для случая большой степени дисперсности цементитных частиц или малых увеличений микроскопа двухфазное строение перлита может не выявляться. В таких случаях перлит выявляется и виде сплошного темного фона.

Заэвтектоидные стали содержат углерода от 0,8 до 2,14 % и имеют структуру, которая состоит из перлита и цементита (рис. 2в).

Структурно-свободный цементит (цементит вторичный) в объеме медленно охлажденной стали располагается вокруг перлитных зерен и металлографически это проявляется в виде цементитной сетки. Такое расположение вторичного цементита способствует повышению хрупкости и снижению вследствие этого, прочности. Поэтому от цементитной сетки избавляются путем отжига на зернистый перлит, добиваясь более равномерного распределения зерен цементита в стали.

Рис .2. Микроструктура углеродистых сталей:а) доэвтектоидной; б) эвтектоидной; в) эаэвтектоидной



2.2 Методы исследования для выбора оптимального режима термообработки

Исследования начинаются с подготовки на поверхности образца гладкой площадки, именуемой шлифом. Изготовление шлифа имеет чрезвычайно важное значение, поскольку от этого зависит правильность оценки структуры.

2.2.1 Изготовление металлографических шлифов

а)Шлифование.

Для удаления грубого рельефа и наклепа на поверхности образца, получающегося при вырезке, применяется обработка шлифовкой. Шлифование осуществляется путем истирания поверхности образца при последовательном переходе ко все более мелко зернистому абразивному материалу. Шлифование должно начинаться с наиболее крупнозернистого абразивного материала, способного за несколько минут создать ровную поверхность образца и снять следы резки. Каждая последующая операция шлифования должна производиться на все более мелкозернистом абразивном материале.

Шлифование можно производить «сухим» или «мокрым» способом. Мокрое шлифование в значительной мере предохраняет материал от загрязнения частицами обрабатываемого материала: струи воды смывают с поверхности образца, образовавшиеся при шлифовании частицы материала прежде, чем они успевают внедриться между частицами абразивы. Другим преимуществом мокрой шлифовки является охлаждение образца. Во время шлифования образца может происходить его значительный разогрев, приводящий к изменению структуры, этот дефект уже не может быть исправлен последующей полировкой.

в) Полирование.

Полирование представляет конечную ступень в процессе изготовления микрошлифов. Получение зеркальной поверхности, без царапин, является необходимым для проведения правильного металлографического анализа. Поверхность диска обтягивают тканью и непрерывно смачивают суспензией. Скорость вращения кругов такая же, как и при шлифовке. Для покрытия полировальных дисков применяют фетр, бархат, сукно, высококачественный драп, различные шелковые ткани и ткани из искусственного волокна.

г) Травление.

Для выявления структуры металла, полированный образец следует протравить специальными реактивами, представляющими собой чаще всего растворы кислот в спирте. Для травления углеродистой стали, обычно применяется 4%-й раствор азотной кислоты в этиловом спирте. Полированная поверхность образца подвергается воздействию реактива в течение нескольких секунд, после чего шлиф следует промыть водой, спиртом и высушить фильтровальной бумагой или струей теплого воздуха.

2.2.2 Дилатометрический анализ

Изучением изменения размеров тел при нагреве и охлаждении занимается дилатометрия.

Основные задачи:

1) Определение коэффициентов, характеризующих тепловое расширение материалов при различных температурах.

2) Исследование превращений в материалах при их нагреве и охлаждении, а так же при изотермических выдержках.

Целью дилатометрического анализа является: определение изменений длины образцов при нагреве и при охлаждении, или в условиях изотермической выдержки, для установления точек превращений( критических точек) в сплаве и определение коэффициента теплового расширения в заданном интервале температур.

Дилатометры следует устанавливать в помещениях с подходящим контролем температуры и горизонтальной поверхностью, свободной от вибраций.

По принципу действия дилатометры делятся на:

1.Механические

2.Оптические

3.Электрические

По способу записи кривых:

1.Простые ( в координатах расширение образца от температуры)

2.Дифференциальные (в координатах разность расширения эталона образца от температуры)

Дилатометры, на которых можно проводить простые и дифференциальные записи, называется универсальным. Достоинством дилатометрического анализа по сравнению с термическим, является независимость его результатов от скорости нагружения и скорости охлаждения.

Испытания дифференциального расширения: используя микропроцессор, можно вычесть из сигнала, который генерируется, благодаря перемещению образца, сигнал, пропорциональный Lo ( ?образца - ?о ). При этом ?о - начальная температура испытания. Коэффициент пропорциональности « ? » между 0 и 200?10?? °С может быть введён при помощи клавиатуры.

Тогда результирующая кривая будет идентичной кривой, полученной в дифференциальной дилатометрии, если мы уравняем расширение образца с расширением эталона такой же длины и с известным коэффициентом расширения. Используя данные, представляющие температуру и параметры ( ?, начальную длину образца ), которые были введены при помощи клавиатуры, вычисляется разность между изменением размера образца ? L и ? L? = ?/? - ? ? L0 .[3]

2.2.3 Термическая обработка сталей

Термическая обработка-это тепловое воздействие на металл с целью получения требуемых свойств за счет изменения структуры. Любой процесс термической обработки определяется температурой нагрева, временем выдержки и скоростью охлаждения.

Закалкой стали называют вид термической обработки, при которой сталь нагревают до состояния мелкозернистого аустенита, выдерживают до полного завершения фазовых превращений, а затем быстро охлаждают с целью получения структуры мартенсита. Мартенсит в углеродистой стали представляет собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в ? - Fe. Образуется мартенсит при перестроение решетки из гранецентрированной в объемно-центрированную, протекает без диффузии. При этом углерод не может образовать цементит из-за отсутствия диффузии и располагается вдоль одного из направлений объемно-центрированной решетки и деформирует ее, делая не кубической, а тетрагональной. Следствием искажения кристаллической решетки является высокая прочность и твердость мартенсита при минимальной пластичности и ударной вязкости. Кроме того, при превращении аустенита в мартенсит возникают напряжения, в некоторых случаях весьма значительные и вызывающие образование трещин, либо нарушение формы детали. Высокую скорость охлаждения при закалке получают, помещая деталь в закалочные среды. Наиболее распространенные среды: вода, минеральное масло или водные растворы NaCl, NaOH. Скорость охлаждения в масле минимальная, а в водных растворах щелочи или соли максимальная. В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку. Полная закалка заключается в нагреве стали на 30-50ОС выше температуры Ас3, выдержке и быстром охлаждении. Применяется полная закалка для доэвтектоидных сталей (0,3-0,65% С). Неполная закалка заключается в нагреве стали на 30-50ОС выше температуры Ас1, выдержке и быстром охлаждении. Применяется неполная закалка для заэвтектоидных сталей. Неполная закалка для доэвтектоидных сталей нежелательна, так как при нагреве в структуре наряду с аустенитом сохраняется феррит, и после охлаждения в стали участки твердого мартенсита будут окружены мягким ферритом, что вызывает заметное разупрочнение.

Отпуск-это нагрев закаленной на мартенсит стали до температуры ниже Ас1 с целью снижения внутренних закалочных напряжений, повышения вязкости и пластичности металла.

В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

При низком отпуске ( 150-200 ОС) из мартенсита выделяется часть углерода, образуются мельчайшие частицы неустойчивых зародышей карбидной фазы. Решетка мартенсита становится близкой к кубической, снижаются внутренние напряжения, и несколько повышается пластичность и ударная вязкость. Образующуюся структуру называют отпущенным мартенситом. Этому виду отпуска чаще всего подвергаются конструкционные стали, с невысоким содержанием углерода (не более 0,3 %). Низкое содержание углерода обеспечивает удовлетворительную пластичность и ударную вязкость, при сохранении сравнительно высокой твердости и прочности.

При среднем отпуске (350-400ОС) происходит полный распад мартенсита и образование мельчайших частиц карбида (цементита), имеющих округлую форму. Получаемая структура состоит, из феррита и цементита и по степени измельченности соответствует трооститу. По механическим свойствам металл после среднего отпуска характеризуется максимально высокими значениями предела упругости при сравнительно низкой ударной вязкости. Применяется средний отпуск для деталей типа пружин, рессор, мембран.

При высоком отпуске (550-560ОС) происходит укрупнение (коагуляция) частиц цементита, образуется сорбит отпуска. Практически полностью исчезает внутренние напряжения. В результате сталь приобретает исключительно благоприятное сочетание механических свойств: повышенную ударную вязкость и пластичность при достаточно высоких значениях прочности.[4]

2.2.4 Испытания механических свойств

Для определения механических свойств стали проводят испытания на растяжение и испытания на ударный изгиб. Испытания на растяжение проводятся на прессе системы Гагарина. Испытания производятся на цилиндрических образцах с определённым соотношением между длиной и диаметром на прессе Гагарина. Образец растягивается под действием приложенной силы до разрушения. Внешняя нагрузка вызывает в образце напряжение и деформацию. При испытаниях строится диаграмма растяжения, представляющая собой зависимость напряжения от деформации. После разрыва обе части образца плотно складывают и измеряют длину между кернами lк, диаметр шейки dк, рассчитывают площади Fв и Fк. После испытания снимаем миллиметровку с барабана и снимаем механические показатели для всех образцов [ГОСТ 1497-84( при комнатной температуре) ].

Метод испытания на ударный изгиб основан на разрушении образца с надрезом одним ударом маятникового копра [ГОСТ 1497-84 (при комнатной температуре) ].

1.Маятник; 2.Образец; 3.Собачка; 4.Шкала

Рис.3 Маятниковый копёр «Шарпи»



Маятниковые копры служат для испытания образцов на ударный излом. Маятниковый копер состоит из массивной чугунной станины с двумя вертикальными стойками, на которой укреплена ось вращения маятника. Маятник 1 представляет собой стальную трубку со стальным массивным диском на конце. Диск маятника поднимается на определенную высоту, удерживается в этом положении собачкой 3. Образец 2 при испытании на ударный излом устанавливается на опорные выступы в нижней части станины. Если поднять собачку 3, маятник освобождается, диск, падая, ломает образец. Затем половинки образцов тщательно изучаются и делаются выводы по типу излома. Изломы могут быть хрупкими и вязкими.

Хрупкое разрушение - отрыв одних слоев атомов от других под действием нормальных растягивающих напряжений. Для хрупкого разрушения характерна острая, часто ветвящаяся трещина. Величина зоны пластической деформации в устье трещины мала. Скорость распространения хрупкой трещины велика - близка к скорости звука (внезапное, катастрофическое разрушение). Энергоемкость хрупкого разрушения мала, а работа распространения трещины близка к нулю.

Вязкое разрушение - разрушение путем среза под действием касательных напряжений. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация.Трещина тупая раскрывающаяся. Величина пластической зоны впереди трещины велика. Малая скорость распространения трещины. Энергоемкость значительная, энергия расходуется на образование поверхностей раздела и на пластическую деформацию. Большая работа затрачивается на распространение трещины. Поверхность излома негладкая, рассеивает световые лучи, матовая (волокнистый) излом. Плоскость излома располагается под углом.

2.2.5 Растровый электронный микроскоп

В растровом электронном микроскопе формируется изображение исследуемого объекта при сканировании его поверхности тонко сфокусированным электронным зондом. При взаимодействии зонда с веществом исследуемого объекта в каждой точке поверхности возникают электронные эффекты, которые регистрируются соответствующими датчиками. К таким эффектам относятся: прошедшие через образец электроны, отраженные электроны, вторичные электроны, ток поглощенных электронов, катодолюминесценция, рентгеновское излучение, Оже-электроны, наведенный ток. Перечисленные эффекты используются для получения разнообразной информации о внутреннем строении исследуемых объектов. Электроны и рентгеновское излучение генерируются в определенных объемах внутри образца и в результате дают исчерпывающую информацию о рельефе, химическом составе и кристаллографических характеристиках материала образца. Увеличение в РЭМ достигает от 10 до 105 раз. РЭМ обладает следующими функциональными преимуществами:

1) Большая глубина фокуса в сочетании с наглядностью изображения позволяет изучать объекты с ярко выраженной разнорельефностью поверхности;

2) Возможность проведения рентгеноспектрального и катодолюминесцентного анализов, электронной спектрометрии, дифракционных дефектов и т.д.;

3) Возможность изучения динамических процессов, например, процессов, протекающих при непосредственной деформации металла, нагреве, охлаждении и другом воздействии на металл.

Недостатком РЭМ являются ограниченная разрешающая способность - до 4-12 нм; невозможность выявления структуры внутри образца, необходимость помещения образца в вакуум и др.

Основная область применения РЭМ - фрактография, т.е. изучение характера разрушения материала с получением качественной и количественной информации о поверхности излома.



2.2.6 Рентгеноструктурный анализ стали

Этот метод позволяет определить фазовый состав материалов, состав твердых растворов, размеры и форму кристаллов, внутренние напряжения, преимущественные ориентировки кристаллов (текстуры) и другие параметры. В нашей работе РСА проводился на установке ДАРТ. При бомбардировке вещества быстро летящими электронами возникает рентгеновское излучение с широким диапазоном длин волн (10 - 10-4 нм). В спектре электромагнитных волн оно расположено между ультрафиолетовым и гамма-излучением. В рентгеноструктурных методах используют излучение, имеющее длины волн, соизмеримые с межатомными расстояниями в веществе (порядка 1 А0), а потому способное дифрагировать в кристаллах как на дифракционной решетке.

Целью РСА в нашей работе является определения зависимости периода кристаллической решетки от температуры отпуска. Период кристаллической решетки - чрезвычайно важная характеристика. Измерение периодов кристаллической решетки при постоянной температуре позволяет судить о типе твердого раствора, его концентрации, некоторых превращениях в твердом состоянии и измерять упругие напряжения в материале.[5]



3.Проводимые испытания и расчёты ( экспериментальная часть)

Для проведения работы были выданы образцы среднеуглеродистой стали:

Для изготовления шлифа- 1 шт.

Дилатометрический образец- 1 шт.

Разрывные образцы - 6 шт.

Ударные образцы - 6 шт.

3.1Изготовление металлографических шлифов.

а) Вырезка образца для приготовления шлифа и последующего его изучения осуществляется поперёк проката под углом 45°. Образец обычно вырезают механическим способом не более двух сантиметров длиной. Нам были выданы уже вырезанные образцы согласно ГОСТ 7564-73.

б) Шлифование.

в) Полирование. Оно осуществляется с помощью пасты Гоя, сукно смачивается керосином для растворения пасты и во избежание пережога.

г) Производится полировка на окиси хрома до получения зеркальной поверхности.

д) Образец промокают фильтровальной бумагой.

е) Травление 4-ех %-ым раствором азотной кислоты.

ж) Определение содержания углерода в образце и марки стали с помощью микроанализа.

Фотографирование структуры было сделано с помощью микроскопа Neophot 32, на котором установлена насадка «Видеотест», позволяющая исследовать и сфотографировать структуру стали.

Действительное увеличение 10*12,5*1.6*7=1400(Х140)

После травления образца была выявлена феррито - перлитная структура ( рис. 4 ) Взаимосвязь между составом стали и ее структурой выражается по формуле:



, где

С - содержание углерода в стали, %

П - количество перлита в структуре, %

Содержание перлита в исследуемом образце П ? 65 %, значит Ф = 35 %

С = = 0,52 %;

Из этого следует, что марка выданных нам образцов Сталь 50

з) Измерение твердости образца по шкале Бринелля: 182 НВ

В таблице №1 представлен примерный химический состав среднеуглеродистой стали 50 в соответствии с ГОСТ 1050-94[2]

Таблица №1

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	As
0,47-0,55	0.17 - 0.37	0.5 - 0.8	до 0.25	до 0.04	до 0.035	до 0.25	до 0.25	до 0.08

3.2 Дилатометрический анализ

Устройство дилатометра ДI-20(рис. 5).

Прибор для дилатометрического анализа состоит из головки (собственно дилатометра) и регистрирующего аппарата. В головке имеется запаянная с одного конца кварцевая трубка, прочно закрепленная в металлической втулке. В трубке помещается образец, имеющий форму цилиндрического стержня диаметром 5 мм и длиной 10 мм. Образец упирается в запаянный конец кварцевой трубки и кварцевый стержень, перемещение которого передается на индикатор часового типа и эластичную пластину, с наклеенными на неё тензодатчиками. Перемещение образца вызывает изменение электрического сигнала снимаемого с тензодатчиков. Температура образца изменяется при помощи нагревательной печи и регистрируется термопарой, находящейся в непосредственной близости к образцу.[4]

Нагрев образца осуществляется электрической печью, скорость нагрева может изменяться. Сигнал с тензодатчиков, регистрирующих величину перемещения образца, передается через усилительное устройство на вертикальную координату самописца. Температура нагрева образца регистрируется по горизонтальной координате самописца. Таким образом, двухкоординатный самописец осуществляет запись кривой в координатах расширение образца - температура. Температура измеряется термопарой платина - сплав: платина-родий.

а) Критические точки и области превращений определяют по кривым, показывающим изменения длины изучаемого образца при нагреве или при охлаждении. Построение кривой в координатах удлинение образца - температура, например, при нагреве, позволяет установить температуры, при которых наблюдаются нарушения равномерного удлинения образца. Резкие перегибы на кривых свидетельствуют о внутренних изменениях, происшедших в сплаве. Если превращение совершается в интервале температур, то первая точка перегиба на кривой соответствует температуре начала превращения, вторая -концу превращения.

При дилатометрическом анализе использовался образец из среднеуглеродистой стали 50. На дилатограмме проводим касательные к точкам перегиба и находим ТАс1 = 735 ?С, ТАс3 = 783 ?С. Данные значения температур практически совпадают со значениями, полученными при микроанализе шлифа.[4]

Коэффициент линейного расширения кварца: ?V( ТАс1, Ас3) = 3,85?10-7

Из дилатограммы закаленной стали (рис.6) находим относительное удлинение образца:

Для Ас1: ?L/L0 = 10,7?10-3 м

Для Ас3: ?L/L0 = 8,8?10-3 м

Тогда:

при ТАс1 = 735 ?С: ?L/L/sam = 10,7?10-3 + 3,85?10-7?783 = 11?10-3

при ТАс3 = 783 ?С: ?L/L/sam = 8,8?10-3 + 3,85?10-7?735 = 9,1?10-3

б) Расчёт коэффициента линейного расширения образца из стали 50.

Средний коэффициент линейного расширения для данного интервала

температур может быть вычислен по формуле:

Для ?ТАс1 = (735 - 20) = 715 ?С:

?msam = (?L/L/sam )/ ?T = 11 ?10-3 /715=15,4?10-6 ?С-1

Для ?ТАс3 = (783 - 20) = 763 ?С:

?msam = 9,1?10-3 /763=11,9?10-6 ?С-1

Истинный коэффициент линейного расширения для данного интервала

температур может быть вычислен по формуле:

?vsam = QR/PR = 1,9?10-3/100 = 19?10-6 ?С-1,

где QR = 10,7?10-3 - 8,8?10-3 = 1,9?10-3 , PR = (800 - 700) = 100 ?С (рис.6).

в) Возьмем на дилатограмме среднеуглеродистой стали другие точки: Т1 = 300 и Т2 = 500.

?Т1 = (300 - 20) = 280 ?С

?Т3 = (500 - 20) = 480 ?С

Коэффициент линейного расширения кварца:

?V(Т1) = 6,8?10-7

?V(Т3) = 4,7?10-7

Из дилатограммы закаленной стали находим относительное удлинение образца:

При Т1 ?L/L0 = 3,7?10-3 м

При Т2 ?L/L0 = 6,8?10-3 м

Тогда:

Для 300 ?С: ?L/L/sam = 3,7?10-3 + 6,8?10-7?300 = 3,9?10-3

Для 500 ?С: ?L/L/sam = 6,8?10-3 + 4,7?10-7?500 = 7?10-3

Средний коэффициент линейного расширения:

Для ?Т1: ?msam = (?L/L/sam )/ ?T = 3,9?10-3 /280=13,9?10-6 ?С-1

Для ?Т2: ?msam = 7?10-3 /480=14,6?10-6 ?С-1

Истинный коэффициент линейного расширения для данного интервала

температур вычислен по формуле:

?vsam = QR/PR = 3,1?10-3/200 = 15,5?10-6 ?С-1,

где QR = 6,8?10-3 - 3,7?10-3 = 3,1?10-3 , PR = (500 - 300) = 200 ?С (рис.5).

Полученные данные сводим в таблицу:

Таблица 2. Значения коэффициента линейного расширения для стали 50.

Т,°С	300	500	735	783
а?10 ? 6, °С-1	13,9	14,6	15,4	11,9

По значениям таблицы 2 строим график зависимости коэффициента линейного расширения стали 50 от температуры.



Рис. 7 Зависимость коэффициента линейного расширения стали 50 от температуры.

3.3 Выбор оптимального режима термической обработки стали

Для проведения термической обработки были выданы ударные образцы, соответствующие ГОСТ 9454-78 и разрывные образцы, изготовленные по ГОСТ 1497-84 . Ударные образцы клеймились номерами: 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.7; разрывные - 6.8, 6.9, 6.10, 6.11, 6.12, 6.13.

Исходя из дилатометрического анализа и примерного химического расчета выбираем режим термообработки для выданных образцов. Для стали 50 проводим полную закалку при температуре 800 ?С +20?С= 820?С с быстрым охлаждением в воде. Время закалки определяется из диаметра образцов. Диаметр закаливаемого образца порядка 10 мм, требуемое время для закалки соответствует 10 минутам и 2 минуты выдержки( 1/5 от времени закалки), т.е. общее время составит 12 минут. Охлаждение образцов в воде необходимо производить круговыми движениями, чтобы предотвратить образование газовой рубашки. С закаленных образцов вручную с помощью шлифовальной шкурки на бумажной основе снимается обезуглероженный поверхностный слой и измеряется твердость каждого образца по Бринеллю. После этого образцы с номерами 6.1, 6.2, 6.8, 6.9 подвергаются низкому отпуску при температуре 200 ?С, образцы с номерами 6.3, 6.4, 6.10, 6.11 - среднему отпуску при температуре 400 ?С, образцы с номерами 6.5, 6.7, 6.12, 6.13 - высокому отпуску при температуре 600 ?С в течение 2 часов. Отпуск производится на воздухе, после чего образцы зачищают, и измеряется твердость ударных образцов. Данные этих измерений приведены в таблице 3. Из-за сложности измерений твердость образцов на растяжение не приводится.

После термообработки образцов производят шлифовку полученных частей образцов и делают их фотоснимки. На рисунках 8( а, б, в ) представлена микроструктура стали после низкого, среднего и высокого отпуска (рис.7 а, б, в).

металлографический шлиф термический сталь

Таблица 3. Данные измерений после термической обработки.

Закалка	Отпуск
Тип образца	№ образца	НВ, кгс/мм?	Низкий (200°)	№ образца	НВ, кгс/мм?
ударный	6.1	543		6.1	543
ударный	6.2	543		6.2	543
ударный	6.3	555	Средний (400°)	6.3	311
ударный	6.4	556		6.4	302
ударный	6.5	556	Высокий( 600°)	6.5	212
ударный	6.7	532		6.7	207

По полученным данным построен график зависимости твёрдости образцов от температуры отпуска ( рис. 9)



Рис.9 График зависимости твердости от температуры отпуска для стали 50

a) При низком отпуске в результате частичного распада мартенсита закалки образуется мартенсит отпуска, в котором наблюдается перераспределение углерода с начальным образованием карбидов. При этом практически не снижается твердость и износостойкость, но снимается часть закалочных напряжений и снижается хрупкость. Низкий отпуск применяется для режущих инструментов и деталей, подвергнутых поверхностной закалке, а также цементированных деталей.

б) Средний отпуск приводит к завершению распада мартенсита на мелкодисперсную феррито-цементитную смесь, называемую трооститом отпуска. Сохраняются высокие упругие свойства и происходит дальнейшее (относительно низкого отпуска) снятие закалочных напряжений. Средний отпуск применяется для пружин и рессор.

в) В результате высокого отпуска происходит коагуляция (укрупнение) цементитных частиц и, образующаяся при этом феррито-цементитная смесь с более крупными, чем у тростита отпуска цементитными частицами, называется сорбитом отпуска. Эта структура обладает хорошим сочетанием прочности и пластичности. Поэтому высокий отпуск применяется для многих деталей машин (коленчатые и распределительные валы, шестерни и т.п.), работающих в условиях циклических знакопеременных и динамических нагрузок.

3.4 Определение механических свойств стали

Величины, характеризующие прочность, пластичность и упругость материала из среднеуглеродистой стали определяют при статических испытаниях на растяжение. При испытаниях строится диаграмма растяжения, представляющая собой зависимость напряжения от деформации (рис.10, 11). После проведения испытаний определяются следующие характеристики механических свойств: предел текучести ?т - это максимальное напряжение, при котором в образце не возникают пластические деформации; предел прочности ?в - это напряжение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец при испытании, ? - относительное остаточное удлинение образца;

? - относительное остаточное сужение. [1]

Для проведения испытаний на растяжение были взяты образцы с номерами: 6.8, 6.10 и 6.12.

Испытания для определения ударной вязкости проводятся ударом специального маятникового копра.

Ударная вязкость определяется работой А, затраченной на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечного сечения F:

КС = А/F, Дж/м2;

Для определения ударной вязкости были взяты образцы 6.1, 6.3, 6.5.

а) Расчет механических свойств стали:

Начальные данные разрывных образцов:

Диаметр образца d0 = 9,8 мм;

Длина образца L = 48 мм;

Базовая длина L0 = 32 мм - перед испытаниями кернят образцы;

Диаметр головки D = 11,6 мм;

Высота головки h = 10 мм;

Радиус скругления головки r = 1 мм.

Данные соответствуют ГОСТ 1497-84.

Рис.12 Образец на растяжение до испытаний ( ГОСТ 1497-84)

Образец 6.12 (отпуск 600 ?С)

Из диаграммы на растяжение находим: Рт = 16,3 кН, Рв = 18,5 кН

S0 = R2 = 3,14?(4,9)2 = 75,4 (мм)2

?т = Рт/ S0 = 16,3?103Н/75,4?10-6м2 = 216?10-6Па = 216 МПа

?в = Рв/ S0 = 245 МПа

Измеряем образец после испытания: Lk = 36 мм, тогда ?L = Lk - L0 = 4 мм;

dk = 4,1 мм; Sк = R2 = 52,8 (мм)2, ?S = 75,4 - 52,8 = 22,6 (мм)2.

Вычисляем относительное удлинение и сужение образца:

? = ?L/ L0 ?100% = 12,5%

? = ?S/ S0 ?100% = 30%

Образец 6.10 (отпуск 400 ?С)

Из диаграммы на растяжение находим: Рт = 33 кН, Рв = 35 кН

?т = Рт/ S0 = 438 МПа

?в = Рв/ S0 = 464 МПа

Измеряем образец после испытания: Lk = 34,4 мм, тогда ?L = Lk - L0 = 2,4 мм;

dk = 4,5 мм; Sк = R2 = 63,6 (мм)2, ?S = 75,4 - 63,6 = 11,8 (мм)2.

Вычисляем относительное удлинение образца при разрыве:

? = ?L/ L0 ?100% = 7,5%

Относительное сужение образца:

? = ?S/ S0 ?100% = 15,6%

Разрывной образец 6.8 (отпуск 200 ?С), d0 = 9,8 мм, L0 = 32 мм, S0 = 75,4 (мм)2

- образовалась продольная трещина, она могла возникнуть в результате неправильного проведения термообработки.

Табличные данные для образца 6.8, соответствующие ГОСТу: ?0,2 = 290 МПа, ?в = 530 МПа, ? = 2,7%, ? = 7%. [ГОСТ 1497-84].

Сильный удар при нанесении базовых точек образцов 6.11 и 6.9 послужил возникновению концентратора напряжений у основания головки и разрушению образцов в этом месте.



Рис.13 Образец на растяжение после испытаний

Данные, рассчитанные после испытаний механических свойств, приведены в таблице 4.

Таблица №4. Результаты испытаний механических свойств стали.

№ образца	Температура отпуска, ?С	?L, мм	?S, (мм)2	Рв, кН	Рт, кН	?в, Мпа	?т, МПа	?, %	?, %
6.8	200	-	-	-	-	530	290	2,7	7
6.10	400	2,4	11,8	35	33	464	438	7,5	15,6
6.12	600	4	22,6	18,5	16,3	245	216	12,5	30

По данным таблицы 4 строим график зависимости механических свойств стали от температуры отпуска.(рис.14)

Рис. 14 График зависимости механических свойств от режима термообработки

б) Определение ударной вязкости.

Из динамических испытаний на копре типа Шарпи находим работу на излом:

Для образца 6.1 А = 2 Дж

Для образца 6.3 А = 68 Дж

Для образца 6.5 А = 185 Дж

Площадь сечения образцов F = (0,01 м)2 = 10-4 м2, глубина надреза h = 2 мм.

Тогда ударная вязкость КСV6.1 = 20 кДж/м2, КСV6.3 = 680 кДж/м2, КСV6.5 = 1850 кДж/м2. Данные испытаний сводим в таблицу 5.

Таблица 5 Результаты испытаний на удар

№ образца	Температура отпуска, ?С	Работа излома А, Дж	Ударная вязкость КСV, кДж/м2
6.1	200	2	20
6.2	400	68	680
6.3	600	185	1850

По измеренным данным построен график зависимости ударной вязкости образцов от температуры отпуска (рис. 15).



Рис.15 Зависимость ударной вязкости от температуры отпуска

Далее приведены снимки изломов ударных образцов и их описание.

Рис. 16 Излом образца 6.1(низкий отпуск)

На снимке (рис.16) видно кристаллический (светлый) излом, поверхность разрушения которого характеризуется наличием блестящих плоских участков, образованный фасетками скола кристаллов, идущих по границам зерен в местах скопления различных дефектов. Такой излом свойственен хрупкому разрушению. Работа хрупкого разрушения не велика, т.к. оно происходит за счет высвобождения накопленной в системе упругой энергии, и поэтому для распространения трещины не требуется подвод энергии извне. Форма сечения образца после разрушения осталась прежней.

Рис. 17 Излом образца 6.3 (средний отпуск)

Излом на рис. 17 имеет смешанный характер. Вследствие возникающего неоднородного напряженного состояния, при котором нормальное напряжение достигает на оси образца максимального значения, материал обладает пониженной способностью к пластической деформации, поэтому вблизи центра сечения характерно хрупкое разрушение. Однако в остальной части вблизи поверхности материал растягивается пластически, разрушается сдвигом по плоскостям скольжения. Форма сечения образца после испытаний существенно не изменилась, исказился лишь контур за счет деформации на поверхности образца.

Рис. 18 Излом образца 6.5 (высокий отпуск)

На рис. 18 виден волокнистый (матовый) излом, поверхность разрушения которого содержит весьма мелкие уступы - волокна, образующиеся вследствие сильной пластической деформации зерен перед разрушением, не имеет кристаллического блеска, происходит в течение длительного времени и поэтому менее опасно.
Этот излом соответствует вязкому разрушению металла, что свидетельствует о довольно высоком качестве стали. При вязком разрушении затрачивается значительно большая работа, чем при хрупком. Для его развития вязкого разрушения необходим непрерывный внешний подвод энергии, расходуемой на пластическое деформирование впереди растущей трещины и преодоление возникающего при этом упрочнения.
Сечение образца после разрушения отличается от первоначального сечения вытянутой искаженной формой.



3.5 Изучение микроструктуры металла с использованием растрового электронного микроскопа (РЭМ)

На рисунках 19( а, б ) представлены снимки среднеуглеродистой стали, выполненные на растровом электронном микроскопе.

3.6 Рентгеноструктурный анализ (РСА)

Определение периода кристаллической решетки

Данные для расчета:

длина волны для железного анодного покрытия ? = 1, 93597 А0; порядок отражений n = 4; индексы интерференции равны произведению индексов семейства плоскостей, благодаря отражению от которых получилась данная линия на рентгенограмме, на порядок отражения n:

H = n?h, K = n?k, L = n?l. НКL = (220).

Уравнение для определения периода кристаллической решетки:

а = ?/2sin?(H2+K2+L2)

Из рентгенограммы для образца 6.1 находим угол ? = 72,50, тогда а6.1 = 2,8707 А0

для образца 6.3 находим угол ? = 72,60, тогда а6.1 = 2,8691 А0

для образца 6.1 находим угол ? = 72,65, тогда а6.1 = 2,8683 А0

Межплоскостные расстояния dhkl связаны квадратичной зависимостью с их индексами и периодом решетки:

d2hkl = a2/(n2 + k2 + l2)

для образца 6.1 d2hkl = 16,4818 (А0)2

для образца 6.1 d2hkl = 16,4634 (А0)2

для образца 6.1 d2hkl = 16,4542 (А0)2

Полученные данные заносим в таблицу 6.

Таблица №6. Результаты РСА

№ образца	6.1	6.3	6.5
Термическая обработка	З800 +Отп200	З800 +Отп400	З800 +Отп600
2?	145	145,2	145,3
sin?	0,9537	0,9542	0,9545
sin2 ?	0,909	0,910	0,911
d/n, А0	1,0149	1,0143	1,0140
Тип решетки	ОЦК	ОЦК	ОЦК
HKL	220	220	220
H2++K2+L2	8	8	8
(H2+K2+L2)	2,8284	2,8284	2,8284
a, А0	2,8707	2,8691	2,8683
?a, А0	0,003	0,0021	0,0005

По данным таблицы 6 строится график зависимости периода кристаллической решетки от температуры отпуска образцов.

Рис.20 Зависимость периода кристаллической решетки от температуры отпуска

Ниже приведены рентгенограммы соответствующих образцов (рис.21, 22, 23)



4.Вывод

В данной работе проводилось исследование среднеуглеродистой стали. Была освоена техника приготовления шлифов и методика выявления микроструктуры; проводился выбор оптимального режима термообработки; подробно изучен принцип работы электронных микроскопов, дилатометров, рентгеновских аппаратов, пресса Гагарина, маятникового копра «Шарпи» и др. приборов, используемых в данной работе.

В результате работы была изучена микроструктура среднеуглеродистой стали и установлено содержание С= 52%. С помощью дилатометрического анализа были определены критические точки ТАс1 = 735 ?С, ТАс3 = 783 ?С и коэффициент линейного расширения. На основании этих данных была определена оптимальная температура закалки 820?С с выдержкой 12 минут в воде с Т = 20?С на твёрдость HB = 543 кгс/мм?. Для выбора оптимального режима отпуска был проведён отпуск от температур 200?С, 400?С,600?С.

По результатам механических испытаний (табл.7 ) определены механические свойства стали 50. По результатам исследований изломов образцов на РЭМ и определения параметров кристаллической решётки с помощью рентгеноструктурного анализа был выбран оптимальный режим отпуска ( отпуск 600?С ) исследуемой стали.

Таблица №7.

Тотп, ?С	Твердость после отпуска, НВ	?в, МПа	?т, МПа	?, %	?, %	А, Дж	KCV, кДж/м2	а, А0
200	555	530	290	7	2,7	2	20	2,8707
400	311	464	438	15,6	7,5	68	680	2,8691
600	212	245	216	30	12,5	185	1850	2,8683
600 (ГОСТ)[6]	215	470	245	30	15	3,7	37	-



Итак, оптимальным режимом термообработки для стали 50 является термическое улучшение, которое заключается в полной закалке и высоком отпуске. Такие стали могут применяться для изготовления деталей, которые подвергаются воздействию высоких напряжений и ударных нагрузок. Из них получают зубчатые колеса, прокатные валки, штоки, тяжело нагруженные валы, оси, бандажи, малонагруженные пружины и рессоры, лемехи, пальцы звеньев гусениц, муфты сцепления коробок передач, корпуса форсунок и другие детали, работающие на трение.



5.Список использованной литературы

1. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф. Материаловедение: Учебник для вузов. Изд. 2-е перераб. и доп. - СПб.:ХИМИЗДАТ, 2002.

2. Марочник сталей и сплавов. Харьков. http://kharkov.metaluf.com/texts/info/view/1155900479993/1156927710725/1156928174399

3. Панова Г.А. Теория строения материалов: методические указания к лабораторным работам. Изд. - СПб:СПбГМТУ, 2000.

4.Методика выполнения измерений на дилатометрах серии ДI-20, Ленинград, 1985.

5.Новиков И.И. Теория термической обработки металлов: Учебник. Изд. 3-е, испр. и доп. - Москва: «Металлургия», 1978.

6. Марочник сталей и сплавов, соответствует ГОСТ - http://www.manual-steel.ru

Размещено на Allbest.ru