г – выявление структуры полиэтилена с помощью раствора.

Для исследования электрохимических процессов, протекающих при травлении в растворах, все шире используют потенциостаты. Потенциостат является электронным регулятором, который в замкнутой измерительной ячейке (рис. 15) регулирует ток между образцом и обратным электродом таким образом, что потенциал образца по отношению к эталонному электроду всегда равен заданному напряжению. Задавая определенный потенциал, величина которого зависит от исследуемого материала и применяемых электролитов, можно, например, достичь травления плоскостей зерен в активной области кривой зависимости плотности тока от потенциала, а границ зерен – в пассивной.

По сравнению с традиционными методами – травлением, погружением и капельным – результаты при потенциостатическом способе более воспроизводимы. Кроме того, можно так направить процесс травления, что в многофазных материалах при заданном анодном потенциале будут растворяться только определенные фазы (фазная изоляция), а изолированный таким образом осадок можно использовать для проведения аналитических исследований при фазовом анализе.

Для изучения процессов, происходящих при термообработке, полезно исследовать структуру, образующуюся при высоких температурах.

Этого можно достичь путем прямых наблюдений с помощью высокотемпературного микроскопа. После шлифовки и полировки образец помещают на высокотемпературный столик микроскопа, в котором смонтирован нагреватель; процесс нагрева производится в вакуумной камере или наполненной защитным газом. Образец нагревают обычно с помощью ленточного нагревателя; этот метод позволяет достичь высокой температуры (рис. 16). Температуру измеряют термопарой, зачеканенной в образец. Плоскопараллельная стеклянная или кварцевая пластина дает возможность непосредственно наблюдать структуру в случае длиннофокусного объектива микроскопа.

Отдельные структурные составляющие можно выявить с помощью теплового травления. При этом возможно возникновение различного поверхностного рельефа. При температурах > 0,5Т_S (Т_S – температура плавления) некоторые элементы, находящиеся в приграничной зоне (у границ зерен), испаряются вследствие преимущественной поверхностной диффузии, что приводит к образованию местных углублений (борозд), по которым можно непосредственно наблюдать за изменением величины зерна. Другой причиной образования рельефа является различие в коэффициентах термического расширения или удельного объема фаз в гетерогенном сплаве.

Выявление структуры при высоких температурах целесообразно для исследования процессов рекристаллизации, роста зерен, структурных превращений, а также для изучения процессов выделения и растворения. При оценке результатов исследований нельзя не учитывать, что при этом методе травления еще далеко не все вопросы могут быть достоверно выяснены. Так, неизвестно, происходят ли процессы, видимые на поверхности шлифа, также и внутри образца, т. е. являются ли они представительными для всего объема материала.

При ионном травлении в вакуумной установке поверхность образца, который является катодом, подвергается бомбардировке ионами с высокой энергией. Предполагают, что при этом ионы часть своей энергии отдают ионам, находящимся на поверхности металла в узлах кристаллической решетки. Последние по закону упругого соударения передают некоторое количество энергии соседним ионам. При этом в определенных местах кристаллической решетки происходит преимущественное «выбивание» атомных рядов, определяющее нарушение строения решетки. Удары распространяются прежде всего на плотноупакованные атомные ряды, поэтому из них «выбивается» большее количество атомов, чем из м ее плотно упакованных. В результате на поверхности образца образуется рельеф, который зависит от вида отдельных структурных составляющих и их кристаллографической ориентировки. Этот процесс применяют для исследования гетерогенных материалов и радиоактивных веществ, так как он дает возможность получать чистую поверхность без осадка. Недостатком способа являются относительная сложность и высокие требования к используемому при ионном травлении оборудованию.

По шлифу с помощью металлографического микроскопа выявляют микроструктуру: наличие, количество и форму тех или иных структурных составляющих, загрязненность посторонними включениями. Наличие и размеры пор и неметаллических включений определяют по нетравленным шлифам; для выявления основной структуры шлиф подвергают травлению. Так как металлы непрозрачны, шлифы из них можно изучать только. в отраженном свете с помощью металлографического микроскопа.

На рис. 17, а приведен общий вид вертикального металлографического микроскопа МИМ-6. Микроскоп состоит из трех основных частей: осветительного устройства I, собственно микроскопа II (с иллюминационным тубусом И, визуальным тубусом В, предметным столиком С,механизмом грубой Ги точной Тнаводки на фокус) и нижнего корпуса III с основанием.

На рис. 17, бприведена оптическая схема хода лучей в микроскопе. Осветительное устройство состоит из лампы 1, конденсора 2 и откидных светофильтров 3 (зеленого, желтого, синего и оранжевого), любой из которых может быть установлен в световой поток.

 

 

 

Далее свет попадает в иллюминационный тубус, состоящий из поляризатора 4 (устанавливается для наблюдения в поляризованном свете неметаллических включений на шлифах), полуматовой пластинки 5, линз 7, 9 и 10, апертурной 6 и полевой 8 диафрагм. От иллюминационного тубуса пучок параллельных лучей попадает на плоскую стеклянную пластинку 11 и часть его проходит сквозь пластинку и теряется (поглощается стенками микроскопа), а другая часть отражается, проходит через линзы 12 объектива и попадает на поверхность шлифа 13. Лучи, отраженные поверхностью шлифа в направлении объектива, вновь проходят через него, пластинку 11 и отражательной призмой 14 направляются к линзам 15 окуляра, через который и производится визуальное рассмотрение шлифов.

Для фотографирования шлифов призму 14 отодвигают, тогда лучи проходят через фотокулятор 16, фотозатвор 17 и зеркалом 18 отражаются на матовое стекло 19 фотокамеры.

Набор сменных объектов и окуляров к микроскопу МИМ-6 позволяет получить увеличение от х63 до x1425.

 

Порядок выполнения работы.

 

1. Получить микрошлифы.

2. Провести травление микрошлифов в растворе.

3. Рассмотреть полученные результаты под микроскопом.

4. Описать полученные результаты и дать заключение о характере микроструктуры стали (размеров зерен, наличие дислокаций, дефектов кристаллического строения).

 

Требования к отчету.

 

1. Записать цель работы.

2. Используемые приборы и материалы.

3. Кратко описать теоретическую часть и подробно практический ход работы.

4. Зарисовать структуру микрошлифа до и после травления.

5. Сделать выводы по работе.

 

Контрольные вопросы.

 

1. Какие существуют способы выявления структуры?

2. Достоинства и недостатки способов травления капельного и погружением?

3. Назначение потенциостатической измерительной ячейки?

4. Выявление структуры при нагреве до высоких температур?

5. Выявление структуры методом ионной бомбардировки?

6. Устройство и принцип работы микроскопа МИМ-6?

 

Лабораторная работа № 6.

Тема: Определение размера зерна стали и металла зоны термического влияния сварных соединений.

Цель работы: научиться определять размер зерна стали и металла зоны термического влияния (ЗТВ) различными способами.

 

Оборудование и материалы: микрошлифы и фотоснимки различных структур стали и металла ЗТВ, медицинские весы, интеграционный столик, микроскоп с окуляром, имеющим перекрестие.

Пояснение к работе.

 

Свойства материалов зависят от количества, размеров, формы и расположения структурных составляющих. При измерении, подсчете, введении определенной классификации изучаемую структуру можно оценивать количественно. Для получения количественных характеристик структуры используют в основном три группы способов: точечный, линейный и плоскостной анализы.

Точечный анализ служит для определения объемных долей любой фазы в многофазных сплавах.

Точечный растр перекрывает структурное поле и определяет число точек Р_х,приходящихся на поверхность отдельных фаз. Если Р – общее число точек, то V = P_х*100/Р.

Измерение можно провозить непосредственно под микроскопом с помощью окуляров с сеткой точек, а также на матовом стекле или фотопластинке. Применение точечного анализа предпочтительнее в тех случаях, когда объемная доля определяемой фазы не превышает 15%.

Часто используют линейный анализ, основанный на соотношении Розиваля.

При этом в поле зрения размещают большое количество отрезков прямой линии (секущих) известной длины (рис. 18). Подсчитывают число точек пересечения секущей с границами зерен и фаз, а также измеряют длину отдельных отрезков (длину хорд l_i) внутри отдельных фаз.

По этим данным можно определить объемную долю и средний размер структурных составляющих. Кроме того, можно подсчитать также величину удельной поверхности зерен или удельной межфазной поверхности. Далее можно получить информацию о распределении элементов структуры по размерам. При определении величины зерна с использованием линейного анализа измеряют длину прямой, которая в плоскости шлифа пересекает определенное число зерен (по крайней мере, 50). Отношение длины линии Lк числу пересечений с зерном nLдает среднюю линейную величину зерна L = L/nL.

Средняя линейная величина зерна может быть также определена следующим образом: на снимок микроструктуры наносят не менее 5 параллельных линий длиной L(рис. 19). На каждой линии вычисляют количество полностью пересеченных зерен z, включая первое частично пересеченное зерно и не считая последнего. Если р – число линий и В – увеличение, то получим величину зерна L (мкм):

L = L*р*10³/z*B,

где Lдолжна быть выражена в миллиметрах.

Если кристаллиты вытянуты в каком-либо преимущественном направлении (имеет место волокнистая структура), измеряют среднюю длину хорды в направлении главной ориентировки. В случае большого различия в величинах зерен целесообразно разделить их но классам и провести статистическую обработку результатов измерения.

Возможно прямое измерение средней величины зерна (рис. 19), а также объемных долей фаз с помощью интеграционного столика. При этом на предметный столик микроскопа с окуляром, имеющим перекрестье, устанавливают специальный столик, имеющий несколько головок; сложное вращение столика производится с помощью специального механизма (рис. 20). Перед началом измерения головки устанавливают на нулевое значение барабана и юстируют пересечение линий окуляра в интересующем исследователя месте образца. При этом пересечение линий совмещают с одной из межфазных границ. Каждая из головок у предназначена для перемещения по соответствующей структурной составляющей.

Вращая соответствующую головку, перемещают столик, пока следующая межфазная граница не попадет на перекрестье. Если, например, составляющая Вграничит со структурной составляющей А, то следует привести в действие шпиндель, соответствующий В, причем число включений каждого шпинделя записывают.

После передвижения столика на определенное расстояние получают таким образом длины L_хотдельных структурных составляющих и число зерен (участков) соответствующей структурной составляющей n_L.

По полученным данным можно наряду со средней линейной величиной зерна рассчитать объемную долю V:

V = L_x*100/L.

Средняя величина зерна L находится в непосредственной связи с удельной поверхностью зерна:

1/L = S*v/2. (4.7)

Принцип линейного анализа находит применение также в современных приборах для автоматического анализа изображения (рис. 21). Изображение структуры с фокальной плоскости окуляра микроскопа вводится в телевизионную камеру, сигналы с которой подаются одновременно на детектор и экран контрольного телевизора.

Последний служит для получения изображения микроструктуры, для выбора полей при проведении автоматического микроанализа и для контроля результатов измерений. Импульсы, возникающие при считывании лучом телевизионной развертки с фотокатода телевизионной трубки, преобразуются в детекторе и с помощью компьютера превращаются в выбранные величины измерения, которые поступают на показывающий прибор и в узел выдачи ин- формации. Вместо шлифов можно анализировать микрофотографии (или негативы) с помощью эпидиоскопа.

Дальнейшие возможности для количественной характеристики структуры открываются при анализе площадей. Использование этого метода позволяет наряду с распределением отдельных фаз по объему получить данные о средней площади поперечного сечения зерен. При этом часто используют метод круга (рис. 22). На фотоснимке рисуют круг с известной площадью А и подсчитывают количество зерен, которые полностью находятся внутри круга. Затем считывают число зерен n,пересеченных линией окружности, и умножают на коэффициент 0,67. Этот коэффициент показывает, что 67% площади пересеченных зерен лежит внутри круга. Принимая во внимание масштаб изображения В, получают среднюю площадь поперечного сечения зерна А (мкм²):

А = А*10⁶/(0,67*n+z)*В².

Среднюю величину площади поперечного сечения зерна А можно также определить методом планиметрирования. При этом очерчивают определенное количество кристаллитов вдоль внешних границ зерен, определяют площадь очерченной группы зерен А с помощью планиметра и подсчитывают количество кристаллитов, находящихся на измеренной площади. Если В – масштаб увеличения, то

А = А*10⁶/z*В².

Объемные доли фаз или структурных составляющих можно определить способом взвешивания. Для этого из микрофотографии вырезают отдельные структурные составляющие вдоль границ и взвешивают их на аналитических весах. При одинаковом качестве фотобумаги вырезанные массы бумаги, занятые определенными структурными составляющими, относятся как соответствующие объемные доли этих структурных составляющих.

 

П

 

При проведении рядовых исследований определение величины зерна и объемных долей приведенными выше способами трудоемко и во многих случаях не является необходимым. Здесь применяют стандартные шкалы структур, причем микроструктуру образца сравнивают с соответствующим схематическим изображением структуры. Эти шкалы классифицируют определенные структурные параметры, например величину зерна или форму (или количество) включений.

С помощью специальной насадки на микроскоп в поле зрения можно одновременно видеть структуру эталонного и исследуемого образцов (рис. 23). Выполнение подобных исследований (с помощью эталонов) субъективно и требует опытного наблюдателя.

 

Порядок выполнения работы.

 

1. Получить микрошлиф или фотоснимок микрошлифа.

2. Определить размер зерна на микрошлифе или фотоснимке микрошлифа одним из предложенных способов.

 

Требования к отчету.

 

1. Записать цель работы.

2. Используемые приборы и материалы.

3. Кратко описать существующие методики определения размера зерна стали и металла ЗТВ.

4. Зарисовать схему определения размера зерна и оформить полученные результаты.

5. Сделать выводы по работе.

Контрольные вопросы.

 

1. Способы количественной металлографии?

2. Точечный анализ структуры?

3. Сущность метода линейного анализа?

4. Методы измерения средней величины зерна?

5. Принцип работы автоматического анализатора Квантимет?

6. Метод анализа площади поперечного сечения зерен?

7. Способ взвешивания?

8. Определение величины зерна с помощью шкалы эталонов структуры?

Лабораторная работа № 7.

Тема: Влияние режима термической обработки на структуру и твердость стали и ее сварных соединений.

Цель работы: научиться оценивать влияние режима термической обработки на структуру и твердость стали и ее сварных соединений.

 

Оборудование и материалы: образцы стали и ее сварных соединений с различными видами термообработки, прибор для измерения твердости, фотоснимки макроструктур стали и ее сварных соединений, прошедших различные виды термообработки.

Пояснение к работе.

 

Термическая (тепловая) обработка состоит в изменении структурно-фазового состояния металлов и сплавов путём нагревания их и последующего охлаждения с заданной скоростью, при этом достигают существенные изменения свойств, при том же химическом составе сплава. Основные факторы воздействия при термической обработке – температура и время, поэтому режим любой термообработки можно представить графиком в координатах t° - t (рис. 24).

Для изменения свойств сплава необходимо, чтобы в сплаве в результате термической обработки произошли остающиеся изменения, обусловленные в первую очередь фазовыми превращениями.

Все виды термической обработки можно разделить на следующие основные группы: отжиг; нормализация; закалка; отпуск.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, который в результате какой-то предшествующей обработки (холодная пластическая деформация; высокая скорость охлаждения при кристаллизации; быстрое охлаждение или неравномерное приложение нагрузки) имеет неравновесную структуры с высоким уровнем внутренних напряжений, и приводящая его в более устойчивое состояние называется отжигом. Существует два вида отжига. Если сплав не имеет фазовых превращений, то любой нагрев сплава с неравновесной структурой приводит его в более равновесное состояние. Такой отжиг называется отжигом I рода (возврат или отдых, рекристаллизационный отжиг или рекристаллизационный отжиг для снятия внутренних напряжений или гомогенизация). Если у сплава есть фазовое превращение, то нагрев сплава с неравновесной структурой выше температуры фазовых превращений с последующим медленным охлаждением приводит его в более равновесное состояние – отжиг II рода или фазовая перекристаллизация (полный, неполный и изотермический отжиг).

При нормализации сталь охлаждается не в печи, как при отжиге, а на воздухе в цехе.

Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то полнота обратного (при охлаждении) превращения зависит от скорости охлаждения. Если у сплава обратное превращение полностью не завершилось и при комнатной температуре в результате быстрого охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур, то такая термическая обработка называется закалкой (точнее истинной закалкой). Чаще при закалке не удается зафиксировать состояние сплава, устойчивое при высоких температурах, а фиксируется некоторая его стадия структурного превращения, при которой в сплаве не достигнуто ещё равновесное состояние. Различают: простую закалку в одном охладителе, прерывистую закалку, ступенчатую и изотермическую закалку. Закалка бывает объёмной и поверхностной.

Состояние закалённого сплава характеризуется неустойчивостью. Даже без всякого температурного воздействия в сплаве могут происходить процессы, приближающие его к равновесному состоянию. Термическая обработка, заключающаяся в нагреве закалённого сплава, до температуры ниже температуры равновесных фазовых превращений, называется отпуском.

Основой для изучения термической обработки стали является диаграмма Fе – С. Приведём общепринятые обозначения критических точек. Нижняя критическая точка А₁, лежит на линии РSК и соответствует превращению А «П. Верхняя критическая точка А₃ лежит на линии GSE и соответствует началу выпадения или концу растворения Ф в доэвтектоидных сталях или Ц_II в заэвтектоидных сталях. Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, рядом с буквой А ставят букву «с», в первом случае и «r» – во втором. Следовательно, критическая точка превращения А®П обозначается Аr₁, а П®А обозначается Ас₁.

Отжиг – фазовая перекристаллизация, заключающаяся в нагреве выше Ас₃ с последующим медленным охлаждением. При нагреве выше Ас₁, но ниже Ас₃ полная перекристаллизация не произойдёт – это неполный отжиг. При отжиге состояние стали, приближается к структурно равновесному; после отжига сталь имеет структуру: П+ Ф; П или П+ Ц.

Возврат (отдых) стали – нагрев до t° = 200 - 400°С для уменьшения или снятия наклёпа. При возврате наблюдается уменьшение искажений в кристаллических решётках кристаллитов и частичное восстановление физико-химических свойств.

Рекристаллизационный отжиг (рекристаллизация) стали происходит при t = 500 – 550 °С; отжиг для снятия внутренних s - при t = 600 - 700°С. Эти виды отжига снимают внутренние s в отливках от неравномерного охлаждения их частей, а также в заготовках, обработанных давлением (прокаткой, волочением, штамповкой и т.п.). При рекристаллизации из деформированных зёрен вырастают новые кристаллиты, ближе к равновесным; в результате твёрдость снижается, а пластичность и удельная вязкость увеличивается. Для полного снятия внутренних напряжений у стали необходима t ³ 600°С. Охлаждение после выдержки при заданной t° должно быть достаточно медленным; при ускоренном охлаждении вновь возникает s_ВН.

Диффузионный отжиг применяют в тех случаях, когда в стали наблюдается внутрикристаллическая ликвация. В результате высокого нагрева до t°= 1000 – 1100 °С за счёт диффузии углерода и других примесей в твёрдом состоянии, наряду с самодиффузией железа, происходит выравнивание состава в зёрнах аустенита и сталь становится гомогенной (однородной по составу). При превышении указанной температуры возможен пережог и оплавление зёрен. При пережоге кислород воздуха окисляет железо, проникая по границам кристаллитов, образует окислы и разобщает кристаллиты. Пережог в металле заготовки является окончательным браком. При диффузионном отжиге вследствие перегрева зёрна слишком укрупняются, что следует исправлять последующим полным отжигом (на мелкое зерно).

 

Полный отжиг – связан с фазовой перекристаллизацией и измельчением зерна при температурах Ас₃ и Ас₁. Назначение его:

1. Устранить дефекты предыдущих операций горячей обработки (литья, ковки).

2. Подготовить структуру к последующим технологическим операциям (обработка резанием, закалка).

3. Измельчение зерна стали и повышение её механических свойств, особенно вязкости.

4. Устранить внутренние напряжения.

Для полного отжига сталь нагревают на 30 - 50°С выше температуры линии GSK и медленно охлаждают. При нагреве выше Ас₃ феррито-перлитная структура переходит в аустенитную, а затем при охлаждении А®Фa+П, т.е. происходит полная перекристаллизация. Однако, если до отжига сталь имела крупное зерно, то после полного отжига структура состоит из мелких зерен Ф и П. После отжига избыточный цементит (в заэвтектоидных сталях) и эвтектоитдный цементит имеют форму пластинок, поэтому и перлит называют пластинчатым. При отжиге на пластинчатый перлит заготовку охлаждают вместе с печью, со скоростью не больше 10 - 20°С в час.

Если у заготовки структура не очень крупнозернистая и не имеет характера видманштетовой структуры, то достаточно выполнить более низкий нагрев, всего на 30 - 50°С выше Ас₁. Подобная операция называется неполным отжигом и применяется после горячей обработки давлением, когда у заготовок мелкозернистая структура. В процессе неполного отжига произойдёт лишь перекристаллизация перлитной составляющей, но не ферритной.

Отжиг на зернистый перлит применяют обычно для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей, с целью повышения пластичности и вязкости стали и уменьшения её твёрдости. Для получения зернистого перлита сталь нагревают несколько выше Ас₁ и выдерживают не долго, чтобы цементит растворился в аустените не полностью. Затем сталь охлаждают до t° несколько ниже Аr₁ и выдерживают при ней несколько часов. При этом частицы оставшегося цементита служат зародышами кристаллизации для всего выделяющегося цементита, который нарастает округлыми (глобулярными) кристаллитами, рассеянными в феррите.

Существует несколько технологий отжига на зернистый перлит:

1. Циклический способ: нагрев до t =730 – 740 °С с последующим охлаждением до t =690 °С с последующим повторением цикла.

2. Зернистый перлит можно получить путём изотермического отжига – нагрев до t =730 – 740 °С, выдержка, охлаждение до t =680 – 690 °С, длительная выдержка и охлаждение.

3. При высоком отпуске закаленной на мартенсит стали.

Применение изотермического отжига значительно сокращает время термической обработки и повышает производительность процесса. Например, обыкновенный отжиг легированной стали длится 13 – 15 часов, а изотермический всего 4 – 7 часов.

Неполный отжиг связан с фазовой перекристаллизацией лишь при температуре точки Ас_1. Он применяется после горячей обработки давлением, когда у заготовок мелкозернистая структура. При изотермическом отжиге после нагрева и выдержки сталь быстро охлаждают до t° ниже Аr₁ и выдерживают при ней до полного распада аустенита на перлит, после чего охлаждают на воздухе.

Нормализация – это операция термической обработки, которая является разновидностью полного отжига. Однако при нормализации сталь охлаждается не в печи, а на воздухе. Нагревание ведётся до полной перекристаллизации (на 30 – 50° выше точки Ас₃), в результате сталь приобретает мелкозернистую и однородную структуру. Твёрдость и прочность стали после нормализации выше, чем после отжига.

Структура низкоуглеродистой стали после нормализации феррито-перлитная (как и после отжига), а у средне- и высокоуглеродистой стали – сорбитная; нормализация может заменить для первой – отжиг, а для вторых – закалку с высоким отпуском. Часто нормализацией подготавливают сталь для закалки, а для некоторых марок углеродистых и легированных сталей она является окончательной Т.О.

Закалка – нагрев выше Ас₃ с последующим быстрым охлаждением. При медленном охлаждении аустенит распадается на Ф + Ц при Аr₁. С увеличением W₀ превращение происходит при более низких температурах. По мере снижения Аr₁ перлит становится все более мелко дисперсным и твёрдым. Если же W₀ была так велика и переохлаждение было так значительно, что выделение Ф и Ц не произошло, то и распад твердого раствора не происходит, а аустенит превращается в мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в a - Fe. Не полная закалка – термическая операция, при которой нагрев проводят до температуры, лежащей выше Ас₁, но ниже Ас₃ и в структуре стали сохраняется доэвтектоидный феррит (заэвтектоидный цементит).

Отпуск – нагрев закаленной стали ниже Ас₁.

 

Порядок выполнения работы.

 

1. Получить образцы сварных соединений до и после термообработки и записать вид их термообработки.

2. Измерить твердость образцов, сопоставить результаты определения твердости со структурой стали, прошедшей аналогичный вид термообработки.

3. Сделать выводы о влиянии термообработки на структуру и твердость данной стали.

4. Составить отчет о проделанной работе.

Требования к отчету.

 

1. Записать цель работы.

2. Используемые приборы и материалы.

3. Начертить графики основных режимов термообработки и соответствующую твердость сварных соединений.

4. Оценить влияние режима термической обработки на структуру и твердость стали и ее сварных соединений.

 

Контрольные вопросы.

 

1. Что такое термообработка?

2. Для чего она применяется?

3. Какие существуют виды термообработки?

4. Влияние режима термической обработки на структуру стали и ее сварных соединений?

5. Влияние режима термической обработки на твердость стали и ее сварных соединений?

Лабораторная работа № 8.

Тема: Изучение микроструктуры металла сварных соединений высоколегированных сталей.

Цель работы: провести микроанализ сварных соединений из высоколегированных сталей.

 

Оборудование и материалы: бинокулярный металлографический микроскоп, микрошлифы сварных соединений сталей (08Х18Н10Т, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 10ГН2МФА, 15Х18Н10Т).

Пояснение к работе.

 

Разрушение металлов под действием окружающей среды называется коррозией. Различают коррозию химическую и электрохимическую. Химическая коррозия протекает при воздействии на металл газов и неэлектролитов, а электрохимическая коррозия под воздействием электролитов: кислот, щелочей и солей, сюда также относятся атмосферная и почвенная коррозия. Кроме того, существует еще коррозия под напряжением, которая возникает при одновременном действии коррозионной среды и напряжений растяжения.

Стали, устойчивые против химической коррозии при высоких температурах (~550 ⁰С), называют окалиностойкими. Стали, устойчивые против электрохимической коррозии, называют нержавеющими.

Повысить уровень стали против коррозии можно легированием ее такими элементами, которые образуют на поверхности стали защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и нарушающие контакт металла с окружающей средой. Кроме того, высокую устойчивость против электрохимической коррозии сталь приобретает, если имеет однофазную структуру: наличие нескольких фаз с разным электродным потенциалом способствует образованию микрогальванопар.

Основным легирующим элементом окалиностойких и нержавеющих сталей является хром. На рис. 25 показано изменение потенциала железо-хромистых сталей с увеличением содержания хрома. Стали, содержащие меньше 12 % хрома, имеют низкий потенциал и сильно подвержены коррозии. Стали, в которых хрома свыше 12 – 14 %, обладают положительным потенциалом и высокой стойкостью против коррозии. Существуют две основные группы нержавеющих сталей: хромистые и хромоникелевые. Хромистые стали 12Х17, 15Х28 относятся к сталям ферритного класса. Стали 30Х13, 40Х13 относятся к мартенситному классу и имеют более высокую прочность, чем стали ферритного класса, но меньшую коррозионную стойкость.

Лучшим сочетанием прочности и коррозионной стойкости обладают аустенитные хромоникелевые стали. Нержавеющие аустенитные стали с 15 % хрома и 9 % никеля получили широкое промышленное применение. Типичным представителем является сталь 12Х18Н9. Сталь в отожженном состоянии имеет

Потенциал, В	0,2     -0,4   -0,6   -0,8
						Cr,%

Рис. 25. Изменение потенциала Fe-Cr сталей.

 

структуру аустенит и карбиды Ме₂₃С₆. Сталь подвергается закалке с температуры 1050-1150 ⁰С в воде. При таком высоком нагреве происходит растворение карбидов в аустените, а быстрое охлаждение фиксирует структуру аустенита.

Нержавеющие стали подвержены интеркристаллитной коррозии, т.е. коррозионному разрушению по границам зерен.

В закаленной стали 12Х18Н9 это явление проявляется при нагреве в интервале температур 500-700 ⁰С. При этих температурах из твердого раствора по границам зерен выделяются карбиды хрома Ме₂₃С₆, Ме₇С₃. В результате происходит охрупчивание стали и уменьшается содержание хрома (меньше 12 %) в пограничных областях. Обеднение твердого раствора хромом резко снижает стойкость против коррозии. Кроме того, появление второй фазы – карбидов приводит к образованию микрогальванопар, что усиливает электрохими-ческую коррозию. Сталь, пораженная интеркристаллитной коррозией, теряет металлический звук и при изгибе легко разрушается по границам зерен.

Склонность к интеркристаллитной коррозии устраняется следующими способами: уменьшением содержания углерода до 0,04% и менее; введением в сталь сильных карбидообразующих элементов титана и ниобия. Эти элементы в процессе кристаллизации связывают углерод в тугоплавкие карбиды (ТiC,NbC), которые не растворяются в аустените при нагреве для закалки, поэтому исключается возможность образования карбидов хрома и уменьшение его концентраций в аустените. Поэтому сталь 12Х18Н9Т почти не подвержена интеркристаллитной коррозии.

 

Порядок выполнения работы.

 

1. Для выполнения работы студенту предоставляется микроскоп и набор микрошлифов нержавеющих сталей (08Х18Н10Т, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 10ГН2МФА, 15Х18Н10Т).

2. Просмотреть микрошлифы под микроскопом и зарисовать микроструктуры с указанием структурных составляющих.

3. На основании проведенного микроисследования сделать вывод о влиянии титана на интеркристаллитную коррозию.

 

Требования к отчету.

 

1. Записать цель работы.

2. Используемые приборы и материалы.

3. Краткое описание теоретической части.

4. Зарисовать микроструктуры и указать структурные составляющие.

 

Контрольные вопросы.

 

1. Каково минимальное содержание хрома в стали необходимо для того, чтобы она стала нержавеющей?

2. Почему склонность к интеркристаллитной коррозии стали 12Х18Н9Т меньше, чем у стали 12Х18Н9?

3. Как должна изменяться твердость аустенитной стали при закалке?

4. Какими свойствами наделяется сталь если в нее добавить (медь, титан, ниобий, вольфрам, молибден, азот, никель, алюминий)?

Литература

1. Гуляев А.П. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1986. – 542с.

2. Металлография железа. Справочник. Пер. с нем. / Лямбер Н, Греди Т., Харбакен Л. И др. – М.: Металлургия, 1985. – 248с.

3. Фазовые превращения и изменения свойств сталей при сварке. – Атлас / Шоршоров М.Х., Белов В.В. – М.: Наука, 1972. – 219с.

4. Никифоров В.Н. Технология металлов и конструкционные материалы. – М.: Высшая школа, 1968. – 360с.

5. Лившиц Л.С. Материаловедение для сварщиков (сварка сталей). – М.: Машиностроение, 1979. – 253с.

6. Испытание материалов. Справочник. Пер. с нем. / под ред. Х. Блюменауэра. – М.: Металлургия, 1979. – 448с.

7. Научные основы материаловедения. / Под ред. Б.Н. Арзомасова. Учебник. – М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1994. – 366с.

8. Лихтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990. – 405с.

9. Материаловедение и технология металлов / Под ред. Г.П. Фенисова. – М.: Высшая школа, 1995. – 385с.

10. Лахтин Ю.М. Материаловедение и термическая обработка. – М.:. Машиностроение, 1993. – 410с.

 

 

 

Учебное издание

Зарапин Олег Геннадьевич

Полетаев Юрий Вениаминович

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение»

 

Редактор Ж.В. Паршина

 

 

Темплан 2002г. ЛР №

Подписано в печать Формат 60х84 1/16

Бумага офисная. Печать оперативная

Печ. л. 38 Уч. – изд. л.

Тираж 100. Заказ №

 

 

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российс