Основные свойства металлических материалов (сталей) после термической обработки

К основным свойствам металлургической продукции из стали относятся: структура, величина зерна, прокаливаемость, механические, физические, химические свойства и др.

Структура сплавов контролируется на 3-х уровнях: макроструктура, микроструктура и тонкая структура.

Контроль макроструктуры – основной вид испытаний для определения качества металлов и сплавов, в частности стали и влияния дефектов металлургического производства и термической обработки.

Контролируют макроструктуры на поперечных и продольных макрошлифах и изломах.

ГОСТ 1110243-75 предусматривает оценку по пятибалльным шкалам следующих дефектов металлургического производства Fe-C сплавов:

– центральной пористости;

– точеной неоднородности;

– общей пятнистой ликвации;

– краевой пятнистой ликвации;

– ликвационного квадрата;

– подусадочной ликвации;

– подкорковых пузырей;

– межкристаллитных трещин;

– послойной кристаллизации;

– светлой полоски (контур).

На продольных макрошлифах определяют химическую неоднородность (ликвации серы, фосфора и углерода).

Распределение серы определяют по способу Баумана. Фотографическую бромосеребряную бумагу засвечивают, смачивают в 5%-ном растворе серной кислоты, слегка подсушивают и укладывают на поверхность шлифа. Сернистые включения FeS и MnS, находящиеся на поверхности шлифа, реагируют с серной кислотой. При этом выделяется сероводород, который вступает в реакцию с бромистым серебром фотоэмульсии. Фотобумага в этом месте темнеет и на ней появляется отпечаток сернистого соединения. Затем бумагу промывают и закрепляют в растворе гипосульфита и подсушивают.

Ликвация серы и фосфора выявляется травлением в специальных реактивах. Кроме того, на микрошлифах определяют дефекты структуры, созданные обработкой давлением.

Одним из основных и распространенных видов макроструктурного анализа является изучение характера излома сталей. Значение вида излома признано практикой для оценки качества металлов и сплавов, несмотря на его неколичественный характер.

Вид излома был основным методом оценки изменений структуры в работах Д.К. Чернова, предложивших начало учению о термической обработке стали в 1868 г.

Очень действенной оценкой качества металлов и сплавов остается вид излома в настоящее время. По виду излома можно судить о строении металла, его прочности и пластичности.

Вид излома отражает механизм разрушения материала и позволяет оценить его сопротивление распространению трещин.

Изучение изломов в 60-х годах позволило академику В.Д. Садовскому разработать теорию наследственности стали.

Изломы разделяются на вязкие, их еще называют волокнистые, и хрупкие (кристаллические).

Волокнистый излом свидетельствует о вязком характере разрушения, т.е. о высоких характеристиках пластических свойств. Так, незакаленная сталь должна иметь вязкий излом. Перед разрушением происходит пластическая деформация.

По кристаллическому излому можно оценить величину зерна стали и качественно оценить ее прочность. Такой вид излома характерен для закаленного состояния. Разрушение происходит без заметной пластической деформации.

Кристаллические изломы подразделяются на межкристаллические (когда разрушение идет по границам зерен) и на транскристаллические, когда разрушение идет по зерну.

Излом нормально закаленной конструкционной стали должен быть транскристаллический.

Межкристаллические изломы обычно свидетельствуют об ослаблении границ зерен в результате неправильной термической обработки (перегрев, пережог) или недопустимой ликвации некоторых элементов (фосфор, сера и др.).

После закалки и низкого отпуска оценивают температуру нагрева под закалку по величине зерна кристаллического излома.

В конструкционных легированных сталях после закалки и отпуска блестящий межкристаллитный излом свидетельствует о развитии отпускной хрупкости.

Блестящий транскристаллический излом в закаленных и низкоотпущенных сталях свидетельствует о присутствии в структуре бейнита, продукта промежуточного распада аустенита, получающегося при недостаточной скорости охлаждения.

В быстрорежущих сталях после повторной закалки без промежуточного отжига обнаруживается нафталинистый излом. Это транскристаллический излом с избирательным блеском отдельных фасеток излома. Нафталинистый излом является результатом ориентированного кристаллографически упорядоченного превращения a®g, то есть при нагреве в этих сталях идет превращение, обратное мартенситному. Зерна аустенита не растут из зародышей, а происходит восстановление того аустенитного зерна, которое было до закалки. Иголки мартенсита переходят в аустенит с той кристаллографической ориентацией, как и остаточный аустенит.

Межкристаллический излом в литой термически обработанной стали может свидетельствовать о высоком содержании в ней азота и алюминия.

При оценке видов излома необходимо учитывать условия разрушения образца, так как вид излома зависит от температуры испытания, от условий приложения нагрузки (ударная или статическая).

В связи с имеющейся четкой связью между изломом и структурой металла вполне понятна необходимость получения наибольшей информации при изучении поверхности излома. Их изучают при визуальном осмотре, при небольших увеличениях под бинокулярными микроскопами (до ´60) и при электронно-металлографическом исследовании, при больших увеличениях от ´2000 до ´60000. К сожалению, при увеличениях, принятых в оптических металлографических микроскопах излом нельзя рассматривать из-за малой глубины резкости световой оптики.

Проводится анализ микроструктуры на металлографических микроскопах с различным увеличением: от 100 и выше. В зависимости от того, какой признак оценивают, контроль проводят на продольных или поперечных шлифах.

К металлографическому анализу относятся методы оптической микроскопии и электронно-микроскопические.

Методы оптической микроскопии позволяют оценить свойства сплавов после различных видов термической обработки и обработки давления. Применяемые увеличения – от 100 до 1000 раз.

Микроструктуру стали оценивают по ГОСТ 8233-56 [1]. Определяют дисперсность перлита пластинчатого от сорбитообразного до грубопластинчатого, соотношение феррита и перлита, дисперсность мартенсита от скрытоигольчатого до грубоигольчатого.

ГОСТ содержит таблицы с указанием размеров структурных составляющих и фотоэталоны микроструктур.

В настоящее время почти все качественные стали выплавляются с регулированной величиной зерна.

Оценка величины зерна производится по 2-м параметрам:

1) действительному размеру зерна;

2) наследственному размеру зерна.

Для однофазных сплавов типа твердых растворов величина зерна является очень важной характеристикой. Равноосные однородные по размерам зерна свидетельствуют о равновесном состоянии сплава.

На закаленных сталях выявляют действительное аустенитное зерно специальным травлением пикриновой кислотой с добавлением поверхностно активного вещества. Границы аустенитных зерен имеют повышенную травимость и выявляются прежде, чем мартенсит.

Величину зерна определяют сравнением с фотоэталонами [2].

Последнее время получает распространение оценка качества структуры закаленной стали по распределению зерен по размерам.

В настоящее время считается общепризнанным, что величина зерна аустенита в закаленной и отпущенной стали, феррита и перлита в отожжённой и нормализованной стали определяет ударную вязкость, работу распространения трещины и порог хладоломкости. Особенно нежелательной является равнозернистость, которая снижает конструкционную прочность и вызывает охрупчивание в местах концентрации внутренних напряжений.

Размер зерна стали влияет не только на прочностные характеристики, но и на технологические свойства стали, с увеличением зерна и увеличением разнозернистости склонность к короблению деталей и к образованию трещин при закалке возрастает.

Оценка зернистости по шкалам ГОСТ 5639-82 [2] дает усредненные результаты и не отражает действительного распределения зерен по размерам.

Более точно охарактеризовать зеренное строение стали можно, определив так называемый закон распределения зерен по размерам, который устанавливает связь между значениями размеров зерна и их вероятностями.

При контроле наследственного размера зерна оценивают склонность к росту зерна при определенной температуре. Для углеродистых сталей, содержащих до 0,2% С, применяют метод цементации.

Образцы контролируемой плавки нагревают в плотно закрытом ящике, наполненном свежим карбюризатором. Время выдержки после прогрева ящика 8 ч. Образцы после цементации охлаждают вместе с ящиком до 600°С с различной скоростью в зависимости от марки стали. Углеродистую сталь охлаждают со скоростью не более 150°С в час, легированную – не более 50°С в час. Скорость охлаждения образцов ниже 600°С в час не регламентируется. Границы зерен аустенита при температуре 930°С фиксируются цементитной сеткой. Для выявления цементита шлифы рекомендуется травить в одном из следующих реактивов:

– 3–5 %-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте;

– 5 %-ный раствор пикриновой кислоты в этиловом спирте;

– кипящий раствор пикрата натрия, время травления 10–15 мин.

Для конструкционных и инструментальных (углеродистых и легированных) сталей применяют для выявления наследственного зерна метод окисления. В этом случае образцы с полированной поверхностью подвергают нагреву в вакууме или в защитной атмосфере до определенной температуры, выдерживают до полного прогрева образцов. Для окисления шлифов после выдержки, не снижая температуры, в печь подают воздух в течение 30–60 с. После охлаждения в воде и полировки образцы травят в одном из реактивов следующего состава:

1) 15 г соляной кислоты, 75 г этилового спирта;

2) 1 г пикриновой кислоты, 5 г соляной кислоты, 100 г этилового спирта.

Для углеродистых и низколегированных сталей, близких по составу к эвтектоидным, для выявления наследственного зерна применяют метод сетки перлита (троостита).

Образцы подвергают нагреву, выдерживают, затем охлаждают на воздухе. После термической обработки плоскость образца на высоте уровня воды шлифуют до удаления обезуглероженного слоя, полируют и травят в 3-5 %-ном растворе азотной кислоты или 5 %-ном растворе пикриновой кислоты в этиловом спирте.

Такое повышенное внимание к величине зерна вызвано тем, что размер зерна влияет на многие свойства стали: прочность, как статическую, так и динамическую; пластичность; износостойкость; демпфирующую способность; прокаливаемость; обрабатываемость режущего инструмента; деформацию при термической обработке; штампуемость.

Очень важной характеристикой является прокаливаемость стали. Под прокаливаемостью понимают толщину распространения закаленной зоны. Самым распространенным методом определения прокаливаемости является торцевая закалка.

В основном на прокаливаемость влияет химический состав стали. Но, кроме того, она зависит и от неучитываемых факторов: формы и количества неметаллических включений, газонасыщенности и т.д. Поэтому для каждой плавки определяют распределение твердости по длине образца, а для марки стали определяют полосу прокаливаемости на основании исследования большого количества плавок одной марки.

Библиографический список

1. ГОСТ 8233-56. Сталь. Эталоны микроструктуры. – М.: Изд-во стандартов, 1956. – 37 с.

2. ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. – М.: Изд-во стандартов, 1982. – 61 с.

3. Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1977. – 647 с.

4. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. – М.: Металлургия, 1982. – 270 с.

5. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1986. – 480 с.

6. Металловедение и термическая обработка стали: Справ. изд.: В 3-х т./ Под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г. Рахштадта. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1991.

7. Материаловедение и технология металлов/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман и др.; под ред. Г.П. Фетисова. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Высшая школа, 2002. – 638 с. с ил.

8. КарабасовЮ.С. Новые материалы. – М.: МИСИС (ТУ), 2002. – 736 с.

9. Материаловедение/ Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; под ред. Б.Н. Арзамасова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 646 с.

10. Гадалов В.Н., Колмыков В.И., Серебровская Л.Н. Лабораторный практикум по материаловедению: Учебное пособие. – Курск: Изд-во КГСХА, 2003. – 204 с.

11. Гадалов В.Н. Металлография с атласами микроструктур металлов, сплавов, покрытий и сварных соединений [Текст]: учебное пособие-монография/ В.Н. Гадалов, И.С. Захаров, В.А. Крюков, А.В. Башурин; Курск. гос. техн. ун-т. – Курск, 2004 – 479 с.

12. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение: Учебник для вузов. Изд. 3-е перераб. и доп. – СПб.: Химиздат, 2004. – 736 с.

ГЛАВА 3

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ