Лабораторная работа по теме

Лабораторная работа 3

3.1 Тема

Микроанализ химико-термически обработанных углеродистых и легированных сталей.

3.2 Цель

Изучить микроструктуры химико-термически обработанных сталей и зависимость между структурой и свойствами стали после различных видов обработки.

3.3 Задание

3.3.1 Изучить микроструктуры химико-термически обработанных сталей - цементованной, азотированной, цианированной, алитированной, хромированной, силицированной, борированной. Зарисовать оптическую схему микроскопа

3.3.2 Результаты микроанализа оформить в виде протокола

3.3.3 Начертить диаграмму состояния железо-азот и дать описание происходящих в стали процессов превращений при азотировании

3.3.4 Написать отчет по работе

3.4 Общие сведения

3.4.1 Приборы, материалы и инструмент

Для проведения работы необходимо иметь металлографический микроскоп; набор микрошлифов химико-термически обработанных углеродистых и легированных сталей; циркуль и линейку.

3.4.2 Микроструктура химико-термически обработанной стали.

3.4.2.1 Микроструктура цементованной стали.

В цементованной стали содержание углерода уменьшается от поверхности к сердцевине. В соответствии с таким изменением химического состава получается и распределение структурных составляющих.

Рисунок 3.1 Микроструктура низкоуглеродистой стали после цементации (схема)

На рисунке 3.1 дана микроструктура цементованной низкоуглеродистой стали; от поверхности образуется структура перлита и цементита (заэвтектоидная зона), далее располагается перлит (эвтектоидная зона) и затем при переходе к сердцевине - перлит и феррит (переходная, доэвтектоидная зона). В переходной зоне чем ближе к сердцевине, тем меньше становится перлита и больше феррита.

Иногда в заэвтектоидной зоне цементованного слоя цементит собирается в крупные участки, окруженные ферритом (рисунок 3.2).

Сталь, в которой образуется такая структура, называется анормальной.

П



осле закалки цементованной стали в цементованном слое образуется структура мартенсита. Структура сердцевины после закалки получается различной в зависимости от цементуемой стали.

В углеродистых цементуемых сталях в сердцевине сохраняется феррито-перлитная структура. В сердцевине цементуемых легированных сталей, несмотря на небольшое количество углерода, но значительное количество легирующих примесей, задерживающих распад твердого раствора, после закалки получается малоуглеродистый мартенсит.

Рисунок 3.2 Микроструктура заэвтектоидной зоны цементованного слоя - анормальная структура (схема)

Рисунок 3.3 Диаграмма состояния железо - азот

3.4.2.2 Микроструктура азотированного железа и стали

Микроструктуры азотированного слоя при насыщении азотом железа и специальной стали для азотирования (хромомолибденоалюминиевой стали 38Х2МЮА) отличаются.

Микроструктура азотированного слоя железа получается различная в зависимости от температуры азотирования соответственно диаграмме состояния железо - азот (рисунок 3.3).

При температуре азотирования выше эвтектоидной (591°С), например при 600°С (t₁ на рисунке 3.3), образуются последовательно от поверхности к сердцевине следующие фазы:

ε → γ' → γ → α

При медленном понижении температуры ε- и α -фазы будут распадаться с выделением избыточной γ'-фазы, а γ-фаза будет полностью распадаться на эвтектоид α + γ'. В связи с такими превращениями микроструктура азотированного слоя при комнатной температуре будет состоять из следующих фаз (от поверхности к сердцевине) (рисунок 3.4):

ε + γ'_изб → γ' → α + γ' → α + γ'_изб

эвтектоид

Концентрация азота изменяется от поверхности в глубь слоя соответственно диаграмме состояния железо - азот и особенно резко на границах отдельных фаз. Твердость азотированного слоя железа и простых углеродистых сталей после медленного охлаждения не превышает 250-300 HV.

При азотировании специальной стали (38Х2МЮА) образуются те же фазы, т. е. ε, γ' и α, но такого резкого разграничения между фазами не наблюдается. Поэтому по внешнему виду

Рисунок 3.4 Азотированный слой железа, температура азотирования 600°С (схема)

микроструктура азотированного слоя специальной стали значительно отличается от микроструктуры азотированного слоя железа (рисунок 3.5).

На поверхности расположен очень тонкий (0,01- 0,03 мм) нетравящийся белый слой, состоящий из ε-фазы или ε + γ'-фаз. Затем следует серый слой, представляющий собой смесь ε+γ'+α -фаз или смесь γ'+α -фаз (до глубины 0,06-0,1 мм). Далее располагается α-фаза. Основная (серая) часть азотированного слоя имеет сорбитообразное строение и отличается от

Рисунок 3.5 Сталь 38Х2МЮА. Азотированный слой:

а - микроструктура (Х500); б - схема микроструктуры

сорбитовой структуры сердцевины тем, что травится более сильно вследствие высокого содержания азота.

Образующиеся в азотированном слое специальной стали ε-, γ'- и α-фазы вследствие наличия в стали углерода содержат кроме азота и углерод, т. е. являются не азотистыми (нитридными) фазами, а углеродазотистыми (карбонитридными) фазами Fe₂(N, С), Fe₄(N, С). Кроме того, образуется азотистый цементит Fe₃(N, С).

Твердость азотированного слоя стали 38Х2МЮА значительно выше твердости азотированного слоя железа и углеродистых сталей и составляет 1100-1200 HV.

Рисунок 3.6 Цианированный слой низкоуглеродистой стали после закалки:

а - микроструктура (X500); б - схема микроструктуры

3.4.2.3 Микроструктура цианированной стали

При высокотемпературном цианировании с последующей закалкой низкоуглеродистой стали от поверхности образуется мартенсит, далее располагается мартенсито-трооститная структура (рисунок 3.6)

Рисунок 3.7 Цианированный слой легированной стали после закалки:

а - микроструктура (Х500); б - схема микроструктуры

При высокотемпературном цианировании с последующей закалкой легированной стали от поверхности образуется аустенито-мартенситная структура, далее располагается мартенситная и затем мартенсито-трооститная структура (рисунок 3.7)

3.4.2.4 Микроструктура алитированной стали

Структура алитированного слоя (рисунок 3.8) состоит из зерен химического соединения Fе₂Аl₅ (самый наружный слой), зерен твердого раствора алюминия в α-железе, пронизанных иглами того же химического соединения (следующий слой), и зерен твердого раствора без игл химического соединения. Содержание алюминия в алитированном слое достигает 40- 50%.

3.4.2.5 Микроструктура хромированной стали

Х

Рисунок 3.8 Алитированный слой низкоуглеродистой стали (схема микроструктуры)ромированный слой низкоуглеродистой стали представляет собой твердый раствор хрома в α-железе и содержит 30-60% Сг (250-300 HV). Хромированный слой средне- и высокоуглеродистых сталей состоит из карбидов (Cr, Fe)₇C₃ или Сг₂₃С₆ (рисунок 4.9). Содержание углерода в поверхностном слое достигает 7-8%, а хрома 75-95%. Твердость 1200-1300 HV.

Рисунок 3.9 Хромированный слой среднеуглеродистой стали:

а - микроструктура (Х500); б - схема микроструктуры

3.4.2.6 Микроструктура силицированной стали

Микроструктура силицированного слоя представляет собой твердый раствор кремния в α-железе. Количество кремния в поверхностных зонах слоя достигает 14%; чем глубже расположена зона, тем меньше кремния. В зоне, расположенной непосредственно за силицированным слоем, содержание углерода повышено по сравнению с содержанием углерода в сердцевине (рисунок 3.10). Это объясняется оттеснением углерода в глубь стали в связи с его плохой растворимостью в кремнистом феррите. Характерной особенностью силицированного слоя является его пористость. Твердость слоя 250-300 HV.

3.4.2.7 Микроструктура борированной стали Основное свойство борированного слоя - исключительно высокая твердость (до 2000 HV) вследствие образования на поверхности высокотвердых боридов железа - FeB и Fe₂B (рисунок 3.11).

Рисунок 3.11 Борированный слой железа (схема микроструктуры)

3.5 Протокол микроанализа химико-термически обработанных сталей

Наименование и марка стали

Обработка

Микроструктура

Свойства, применение

Зарисовка

Наименование

1

2

3

4

5

3.6 Содержание отчета

Отчет выполняется на формате А4

3.6.1 Тема работы

3.6.2 Цель

3.6.3 Задание

3.6.4 Выполнить пункт 3.3.3 задания

3.6.5 Оформить протокол

3.6.6 Сделать вывод

3.7 Контрольные вопросы

3.7.1 Назвать основные виды химико-термической обработки и дать им характеристику

3.7.2 Какую структуру приобретает сталь после цементации

3.7.3 Какая сталь называется анормальной

3.7.4 Какой термической обработке подвергаются цементированные стали и какие образуются структуры

3.7.5 Какие свойства получает сталь после цементации, азотирования, цианирования, борирования и алитирования

3.7.6 Какова твердость легированной и углеродистой сталей после азотирования