Меню

Видманштеттова структура стали как исправить

ИСПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ ЛИТОЙ И ПЕРЕГРЕТОЙ СТАЛИ

Цель работы – научиться выбирать температуру нагрева для исправления крупнозернистой видманштеттовой структуры литой или перегретой стали и получения мелкозернистой структуры.

— изучить фазовые превращения, происходящие в углеродистых сталях при нагреве;

— изучить микроструктуру литой и перегретой стали;

— изучить влияние температуры нагрева на размер зерна стали.

— коллекция микрошлифов стали;

— диаграмма состояния системы железо-цементит;

— альбом фотографий микроструктур.

Одним из многих факторов, влияющим на свойства готовых изделий, является величина зерна в сталях. Крупное зерно аустенита отрицательно влияет на механические и некоторые технологические свойства стали.

Крупные зерна чаще всего встречаются в литой стали, где величина зерен может доходить до нескольких сантиметров. Это получается при формировании зерна аустенитной литой стали в процессе кристаллизации из жидкого состояния. Перегрев жидкого металла и малые скорости охлаждения при кристаллизации способствуют образованию крупных зерен.

Крупные зерна аустенита могут образоваться в определенных условиях при термической обработке металлов, когда металл нагревают до очень высоких температур в области аустенита и дают длительную выдержку при этих температурах (цементация, отжиг, нагрев под горячую пластическую деформацию).

Согласно второму закону термодинамики, всякое тело стремится к наименьшему запасу поверхностной энергии. Мелкие зерна обладают большим запасом свободной энергии, чем крупные, поэтому они термодинамически неустойчивы и при подходящих условиях стремятся вырасти в крупные зерна за счет более мелких.

В перегретой стали избыточный феррит (цементит) выделяется в виде сетки по границам зерен в виде длинных пластин (игл), прорезающих зерна перлита (рисунок 4.1). В последнем случае структура называется видманштеттова. Сталь с такой структурой обладает очень низкими пластическими и вязкими свойствами, т.е. склонна к хрупкому разрушению.

Для повышения механических свойств проводят термическую обработку (полный отжиг или нормализацию).

Рассмотрим, что происходит при нагреве перегретой доэвтектоидной стали.

При температуре 727˚С (рисунок 4.1), соответствующей линии PSK (точка АС1)в перлите (в местах контакта фаз феррита и цементита) образуется новая фаза – аустенит. В процессе фазовой перекристаллизации перлита образуется мелкозернистый аустенит.

При дальнейшем нагреве от температуры АС1 до АС3 (между линиями PSK и GS) избыточный феррит (не входящий в состав перлита) превращается в аустенит. В точке АС3 этот процесс заканчивается, и образуется мелкозернистый аустенит по всему объему стали.

Следует заметить, что при непрерывном нагреве температурные интервалы превращений смещаются вверх относительно равновесных. Смещение происходит тем в большей мере, чем сильнее отличаются реальные скорости нагрева от теоретически медленных. Поэтому для исправления структуры крупнозернистой стали ее необходимо нагреть на 30 – 50 ˚С выше точки АС3, и в результате фазового превращения получится мелкозернистая структура аустенита.

После выдержки сталь охлаждают. При охлаждении мелкозернистый аустенит снова превращается в феррит и перлит. Размер зерна, образовавшегося при нагреве, в процессе охлаждения не изменяется. После такой термической обработки излом получается мелкозернистым, и следы ранее существовавшего перегрева исчезают (рисунок 4.2). Если доэвтектоидную сталь нагреть до температуры межкритического интервала (выше АС1, но ниже АС3), то целиком исправить структуру нельзя, так как фазовая перекристаллизация будет неполной. После медленного охлаждения такой стали в структуре сохраняются грубые участки нерастворившегося при нагреве феррита, что ухудшает свойства стали.

Если сталь нагреть на 200 – 250 ˚С выше точки АС3, то в процессе нагрева и выдержки при таких высоких температурах будет происходить рост вновь образовавшихся мелких зерен аустенита, поэтому структура не исправится.

Рисунок 4.1 – Микроструктура перегретой стали.

Читайте также:  Сталь w166a для ножей

Рисунок 4.2 – Микроструктура стали после нормализации

2. Порядок выполнения работы.

1. Изучить микроструктуру пяти образцов, изготовленных из литой или перегретой доэвтектоидной углеродистой стали (40). При этом образец №1 последующей термической обработке не подвергался, образец №2 был нагрет в печи до температуры ниже критической точки АС1 (

650 ˚С); образец №3 – до температуры, находящейся между точками АС1 и АС3 (

750 ˚С); образец №4 – до температуры, равной АС3 + 50 ˚С; образец №5 – до температуры намного выше АС3 (

1000 ˚С). После двадцатиминутной выдержки образцы были охлаждены на воздухе. На них были изготовлены микрошлифы.

2. Сделать зарисовки изученных микроструктур.

3. Охарактеризовать особенности микроструктуры литой или перегретой стали, объяснить причины ее образования и влияние на механические свойства.

4. Начертить нижнюю левую часть диаграммы системы железо – цементит, указать на ней химический состав стали и температуры, до которых нагревались образцы.

5. Описать фазовые превращения, происходящие при нагреве стали до каждой из указанных температур и при последующем охлаждении на воздухе.

6. Указать температуру, при которой происходит измельчение зерна и объяснить, почему оно происходит именно при этой температуре.

4. Характеристику микроструктуры литой или перегретой стали, причины ее образования и влияние на механические свойства стали.

5. Нижнюю левую часть диаграммы состояния системы железо – цементит с указанием химического состава стали и температур нагрева образцов.

6. Описание фазовых превращений, происходящих при нагреве стали до указанных температур и последующем охлаждении.

1. Как крупное зерно влияет на механические свойства стали?

2. Что такое видманштеттова структура?

3. При какой температуре в перлите образуется аустенит?

4. Что нужно сделать для исправления крупнозернистой стали?

5. Изменится ли размер зерна, образовавшегося при нагреве стали, в процессе последующего охлаждения?

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ ИЗ АУСТЕНИТНОГО

СОСТОЯНИЯ НА СТРУКТУРУ СТАЛИ

Цель работы — выяснить влияние различных скоростей охлаждения нагретой до аустенитного состояния стали на ее структуру.

— изучить связь между скоростями охлаждения стали из аустенитного состояния и образующимися структурными составляющими;

— закрепить знания о видах термической обработки.

— коллекция микрошлифов стали;

— альбом фотографий микроструктур.

Процессы превращения аустенита при непрерывном охлаждении имеют большое практическое значение. Они лежат в основе многих видов термической обработки – полного и неполного отжига, нормализации, закалки и т.д. Для целей практики весьма важно установление связей между скоростями охлаждения, определяющими условия распада аустенита, с одной стороны, и структурой и свойствами, с другой.

Превращение аустенита при охлаждении в углеродистых сталях может развиваться двумя путями:

1. Диффузионным путем, когда возникающие при превращении фазы (феррит и цементит) отличаются от аустенита по химическому составу и, следовательно, их образование требует обязательного диффузионного перераспределения атомов углерода и железа в аустените.

2. Бездиффузионным путем, когда превращение не сопровождается диффузионным перемещением атомов. Новая фаза имеет такой же химический состав, как и аустенит, и называется мартенситом. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в решетке альфа-железа.

Влияние скорости охлаждения на превращения, протекающие в стали, и получаемые при этом структуры показаны на рисунок 5.1.

Из рисунка 5.1 видно, что с увеличением скорости охлаждения стали перлитное (диффузионное) превращение смещается в область более низких температур. Чем выше скорость охлаждения, тем ниже температурный интервал превращения аустенита в феррито–цементную смесь. Эта феррито–цементная смесь становится все более дисперсной, последовательно давая структуры перлита при скорости V1, сорбита при скорости V2 и троостита при скорости V3.

Читайте также:  Живая сталь 2 баскино

При увеличении скорости охлаждения только часть аустенита превращается в ферритно–цементитную смесь типа троостита, оставшийся аустенит переохлаждается до температуры Мн и превращается в мартенсит.

Рисунок 5.1 – Схема наложения кривых охлаждения на диаграмму изотермического распада аустенита эвтектоидной стали

При скорости охлаждения, равной Vкр. , называемой критической скоростью закалки, а также при более высоких скоростях охлаждения (V4 ) весь аустенит переохлаждается до точки Мн , и образуется мартенсит. При значительном переохлаждении диффузионные процессы подавляются и аустенит претерпевает бездиффузионное превращение в мартенсит, а незначительная часть сохраняется в виде остаточного аустенита.

2. Порядок выполнения работы

1. Изучить микроструктуру четырех образцов доэвтектоидной углеродистой стали с содержанием углерода 0,4 (сталь 40) и четырех образцов доэвтектоидной легированной стали с тем же содержанием углерода (сталь 40Х), нагретых до аустенитного состояния и охлажденных с различными скоростями (в печи, на воздухе, в масле, воде).

2. Сделать зарисовки микроструктур всех образцов с указанием структурных составляющих.

3. Нарисовать С-образные диаграммы превращений переохлажденного аустенита обеих сталей.

4. Нанести на них кривые примененных скоростей охлаждения всех образцов, исходя из рассмотренных микроструктур.

5.Объяснить последовательное формирование структурных составляющих во всех образцах.

6. Проанализировать влияние легирующих элементов на устойчивость переохлажденного аустенита и на величину критической скорости закалки.

7. Указать, какие виды термообработки стали были выполнены в работе.

3. Зарисовки микроструктур всех образцов с указанием структурных составляющих.

4. С-образные диаграммы превращений переохлажденного аустенита обеих сталей с нанесенными на них кривыми скоростей охлаждения.

5. Вывод о влиянии скорости охлаждения на структуру стали.

1. Какими путями может развиваться превращение аустенита при охлаждении углеродистых сталей?

2. Как влияет скорость охлаждения на дисперсность феррито-цементитной смеси?

3. Что происходит при критической скорости закалки?

Список рекомендуемой литературы

1. Волков Г.М., Зуев В.М. Материаловедение: учебник для вузов.- М. : Академия, 2008. — 398с.

2. Материаловедение и технология металлов:учебник для вузов /под ред. Фетисова Г.П. 6-е изд., доп. — М.: Высшая школа, 2008. — 877с.

3. Сильман Г.И. Материаловедение : учеб. пособие для вузов.- М.: Академия, 2008. — 335 с.

4. Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов: учебник для вузов.- М.: Высшая школа, 2008. – 167с.

1.Бондаренко Г.Г., Кабанова Т. А., Рыбалко В. В. Материаловедение: для высших учебных заведений. — М.:Высшая школа, 2007. – 360с.

2.Мальцева Л.А., Гервасьев М.А., Кутьин А.Б. Материаловедение. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007. – 339с.

3.Солнцев Ю. П., Пряхин Е.И. Материаловедение: учебник для вузов.-М.: ХИМИЗДАТ, 2007. – 784с.

4.Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. — М.:Металлургия, 1983.- 360с.

5. Лахтин Ю.М. Основы металловедения.- М.: Металлургия, 1988. – 320с.

Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:

1.Библиотека Российского государственного профессионально-педагогического университета: http://irbis.rsvpu.ru/CGI/irbis32r_91/cgiirbis_32.exe?C21COM=F&I21DBN=SVOD&P21DBN=SVOD

2.Библиотечный каталог как информационно-поисковая система: http://festival.1september.ru/articles/411673/

3. Информационно-справочные и поисковые системы:

Задания и методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Металловедение и термическая обработка металлов»

Подписано в печать Формат 60х84/16. Бумага для множ. аппаратов.

Печать плоская. Усл.печ.л. Уч.-изд.л. Тираж экз. Заказ

ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессионально-педагогический университет». Екатеринбург, ул. Машиностроителей, 11.

Ризограф ФГАОУ ВПО РГППУ. Екатеринбург, ул. Машиностроителей, 11.

Источник

Видманштеттова структура — характеристики и влияние на свойства материалов

Видманштеттова структура впервые была обнаружена при изучении железоникелевых метеоритов. В технике это изменение кристаллической решетки металлов и их сплавов является нежелательным, так как приводит к ухудшению физико-механических свойств. Для оценки данной структуры используют шкалу, нормируемую государственным стандартом.

Читайте также:  10 007 wss шкаф из нержавеющей стали с вытяжной системой

Видманштеттова структура – что это такое?

В 1808 г., при исследовании метеоритов, австрийским ученым-минерологом Алоизом фон Видманштеттеном был обнаружен новый тип металлографической структуры сплавов, который получил название по фамилии своего первооткрывателя. Термин «видманштеттеновы фигуры» использовали для характеристики узоров, возникающих при изготовлении шлифов большинства железных метеоритов. Позднее было открыто, что это явление часто встречается и при промышленном изготовлении металлических конструкций.

Видманштеттова структура стали представляет собой ферритно-перлитную структуру, в которой ее составляющие (феррит и перлит) располагаются в виде геометрически упорядоченных фигур (пластины, иглы, квадраты, ромбы многоугольники). Эта аномалия связана с образованием крупных зерен в первичном аустените. Пластинчатые формы являются доэвтектоидным ферритом, выделяющимся в избытке внутри аустенитных зерен, игольчатые – вторичным цементитом. Пластины располагаются вдоль плоскостей решетки аустенита. Ниже приведено фото видманштеттовой структуры.

Условия появления

С точки зрения физики, возникновение таких изменений связано с тем, они обеспечивают наименьшее значение поверхностной энергии взаимодействия частиц на границе раздела фаз. Чаще всего подобное явление наблюдается при перегреве стали, однако она не всегда получает данную структуру.

Факторами, способствующими ее формированию, являются:

  • значительное укрупнение аустенитных зерен;
  • высокая скорость охлаждения металла;
  • наличие в составе марганца, хрома и молибдена.

Данная структура стали может также возникнуть без перегрева в результате большой скорости охлаждения при переходе через интервал температур Ar3-Ac1. Наиболее часто видманштеттова структура наблюдается при таких технологических процессах, как сварка (в металле шва и прилегающем участке перегрева), литье, термообработка, искусственное старение сплавов, применяемое для увеличения их прочностных характеристик. В последнем случае это происходит в результате выделения новых фаз из пересыщенных растворов.

Свойства

Образование видманштеттовой структуры начинается при скорости остывания после перегрева выше 100 °C/мин. Если сплав имеет крупнозернистое строение, то это изменение кристаллической решетки выявляется и при более низких скоростях охлаждения. Толщина ферритных пластин может варьироваться в диапазоне 1-8 мкм.

Крупнозернистость и пластинчатое строение видманштеттовой структуры определяют ухудшение механических характеристик металлов и сплавов. При перегреве стали избыточный феррит, выделяющийся по границам зерен, «прорезает» перлит, что и приводит к изменению свойств.

Влияние на технологические характеристики конструкций

Помимо изменения кристаллической решетки, указанной выше, может возникнуть и другое нежелательное явление – пережог металла. При этом по границам зерен формируются закисные пленки железа, связь между зернами нарушается. Образование видманштеттовой структуры приводит к следующим негативным последствиям:

  • снижение ударной вязкости и прочности;
  • склонность к хрупкому разрушению;
  • плохая сопротивляемость динамическим нагрузкам.

Поэтому данный процесс является нежелательным для конструкционных материалов и недопустим для изготовления промышленных изделий ответственного назначения.

Для улучшения структуры стали производят термообработку (полный отжиг или нормализацию). Пережженный материал исправить невозможно.

Для предотвращения образования видманштеттовой структуры при сварке в качестве основных металлов применяют такие, которые обладают наследственной мелкозернистостью, то есть при нагреве до высоких температур у них не происходит значительного увеличения зерна. Также используют легирующие добавки, снижающие способность стали к перегреву. Наиболее часто появление данного нежелательного эффекта наблюдается при газовой сварке. Для дуговой это менее характерно.

Оценка структуры

Степень изменения в кристаллической решетке при образовании видманштеттовой структуры регламентируется по ГОСТ 5640-68. Для ее оценки изготавливают микрошлифы 3 × 4 см. Вырезка образцов должна производиться холодным способом (механическим или другими). Развитие этой структуры в металле характеризуется ростом числа и размеров игольчатых образований феррита, а также величиной аустенитного зерна.

Оценка производится по двум рядам и 6 баллам в каждом из них. Первый ряд используется для низкоуглеродистых сталей (содержание углерода 14 октября, 2018

Источник

Adblock
detector