Получение ультрамелкого перлита в стали 20

Содержание

Введение………………………………………………….........................3

1. Классические способы повышения твердости и прочности в сталях...4

2.Физические механизмы повышения конструктивной прочности..............7

3.Суть работы……………………………………………………………….9

4. Заключение по проделанной работе……………………………………..19

5. Список используемой  литературы……………………………………..20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

          Одна из самых основных задач  материаловедения  – повышение твердости  и прочности у материалов  с наименьшими затратами ресурсов различного рода. Существуют десятки методик по повышениям вышеуказанных характеристик для конкретного сплава. Один из самых распостраненных способов – термообработка материала. В данной работе речь пойдет о нетрадиционной термообработке: нормализации стали после нагреве ее в расплаве алюминия. Данный способ позволяет при коротком времени выдержки стали в расплаве и последующем охлаждении на воздухе получить ультрамелкозернистую структуру, обеспечивающие повышение твердости и прочности относительно исходного состояния.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Классические способы повышения твердости и прочности в сталях

1.1.1 Термическая обработка

Термическая обработка металлов и сплавов — процесс тепловой обработки металлических изделий, целью которого является изменение структуры и свойств в заданном направлении.

Нормализация  стали

          Нормализация заключается в нагреве стали на 30-50 °С выше критических температур А₃ и А_см с последующим охлаждением на воздухе.

Цель нормализации доэвтектоидных конструкционных сталей несколько повысить прочность (по сравнению с прочностью после отжига) за счет измельчения структурных составляющих (феррита и перлита).

           Цель нормализации заэвтектоидных инструментальных сталей - устранить цементитную сетку по границам перлитных зерен и тем самым предотвратить повышенную хрупкость стали при последующей закалке. Структура таких сталей после охлаждения на воздухе из аустенитной области (выше А_C3) получается сорбит.

          Закалка стали

Закалка - вид термической обработки состоящий в нагреве стали до определенных температур (доэвтектоидных на 30-40 °С выше А₃, заэвтектоидных на 30-40 °С выше А₁), выдержке и быстром охлаждении, со скоростью более верхней критической.

Цель закалки - повысить твердость, прочность, износоустойчивость.

Скорость охлаждения при закалке  обычно задают охлаждающей средой (вода, масло, специальные среды). Верхняя  критическая скорость закалки сильно зависит от содержания углерода и  легирующих элементов. Малоуглеродистые стали ( < 0,25% С) обычно закалке не подвергаются, так как V_вкз у них настолько велика, что не достигается даже при охлаждении в воде. [1]

2. Химико-термическая обработка.

Химико-термическая обработка  стали заключается в изменении  химического состава стали на поверхности изделия и последующем  проведении термообработки. Цель ее —  упрочнение поверхностных слоев  стали (повышение твердости, усталостной  прочности, износостойкости и т. п.), изменение физико-химических и  других свойств (коррозионных, фракционных  и т.д.). От поверхностной закалки данный вид обработки отличается тем, что предварительно производят насыщение поверхности обрабатываемых изделий различными элементами (С, N, Al, Si, Cr и др.). Проникая в основную решетку металла, атомы элемента образуют твердый раствор внедрения или замещения, либо химическое соединение.

Цементация

Цементация — поверхностное насыщение малоуглеродистой стали (С<0,3 %) углеродом с последующими закалкой и отпуском с целью получения детали с твердой поверхностью и вязкой сердцевиной (рис. 1). Цементацию можно проводить в твердой, жидкой или газообразной среде (карбюризаторе).

Изделия, подвергаемые цементации в твердом карбюризаторе, помещают в огнеупорный ящик и засыпают цементационной смесью, состоящей из активированного угля и углекислой соли (К₂СО₃, Na₂CO₃ или ВаСО₃). Ящик ставят в печь и выдерживают при 900 - 950 °С с выдержкой 1 час на 0,1 мм толщины слоя. Изделие науглероживается на некоторую глубину (1 - 2 мм).

После цементации изделия  подвергают закалке на мартенсит  с последующим низким отпуском. При  такой закалке сердцевина цементированных  изделий будет мягкой    и    вязкой,   а   поверхностный   слой — твердым и прочным (твердость по Бринеллю повышается до 660 - 650 единиц).

 

 

 

Рис.1. Схема цементационного ящика с деталями. 1 – детали, 2 – обмазка крышки, 3 – контрольные образцы, 4 – карбюризатор.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           Азотирование

Азотирование — это технологический процесс химико-термической обработки, при которой поверхность различных металлов или сплавов насыщают азотом в специальной азотирующей среде (рис 2). Поверхностный слой изделия, насыщенный азотом, имеет в своём составе растворённые нитриды и приобретает повышенную коррозионную стойкость и высокую микротвёрдость.[3]

Насыщение поверхности металла  производится при температурах от 400 (для некоторых сталей) до 1200 (аустенитные стали и тугоплавкие металлы) градусов Цельсия. Средой для насыщения является диссоциированный амиак. Для проведения газового азотирования используются преимущественно шахтные, ретортные и камерные печи.

 

Рис. 2.  Схема установки для азотирования:

1 – шахтная печь; 2 – баллон  с аммиаком; 3 – осушитель; 4 –  манометр;

5, 6, 7 – вентили; 8 – свеча, 9 –  термопара.

 

1. Физические механизмы увеличения конструктивной прочности

 

Кривая Одинга

Для оценки влияния количества дислокаций на прочность материала используется понятие плотности дислокаций, под которой принято понимать отношение суммарной длины дислокаций к объему содержащего их металла.

    На рис. 3 в виде кривой 1-2-3 схематически показана зависимость прочности металла от плотности дислокаций. Точка 1 соответствует теоретической прочности металла, обусловленной необходимостью одновременного разрыва всех межатомных связей, проходящих через плоскость сдвига, в случае отсутствия дислокаций.

    При увеличении количества  дислокаций (см. участок 1-2) прочность резко снижается, так как на несколько порядков уменьшаются усилия, необходимые для осуществления сдвигов в зернах металла при его деформировании и разрушении. [2]

При плотности дислокаций 10⁶-10⁷ см^-2 (точка 2 на кривой), прочности минимальна, и на участке 2-3 происходит ее рост. Это объясняется тем, что с ростом плотности дислокаций их передвижение происходит не только по параллельным, но и по пересекающимся плоскостям, что существенно затрудняет процесс деформирования зерен.

Поэтому начиная с точки 2 прочность металла возрастает.

    Максимальная плотность  дислокаций, может составить 10¹³ см^-2. При дальнейшем росте плотности дислокаций происходит разрушение металла.

Рис. 3. Кривая Одинга.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение конструктивной прочности  материалов

Прочность материала обусловлена  его структурным состоянием. Основными  масштабными уровнями структуры  являются микроуровень (точечные и  линейные дефекты кристаллических  решеток) и мезоуровень (дислокационно – дисклинационные ансамбли).

Существует уравнение, связывающее  предел текучести с параметрами  материала.

σ_т , К_Iс = f(σ_П , σ_д , σ_р , σ_ф , σ_з),

где σ_т – предел текучести материала; К_Iс - трещиностойкость σ_П – напряжение трения решетки (сила Пайерлса – Набарро, существенно зависящая от температуры); σ_д – упрочнение за счет взаимодействия дислокаций, которое представляется двумя моделями σ_д = σ_д.л + σ_д.п.я; σ_д.л – возрастает при увеличении общей плотности дислокаций, σ_д.п.я проявляется при упорядочении дислокационных скоплений; σ_р – упрочнение растворенными атомами; σ_ф- упрочнение дисперсными фазами; σ_з – упрочнение границами зерен (уравнение Петча - Холла)

 

 

Закон Холла-Петча - соотношение между пределом текучести и размером зерна d для поликристаллического материала:

,

где  — некоторое напряжение трения, которое необходимо для скольжения дислокаций в монокристалле, а K — индивидуальная для каждого материала константа, также называемая коэффициентом Холла-Петча. [4]

 

 

 

 

 

Экспериментальная часть.

Изучая структуры, полученные в металле вокруг сварочного шва, было отмечено, что несмотря на то что сам сварочный шов считается наиболее непрочным местом в любой конструкции, не вся структура в нем обладает низкими показателями прочности. В определенном месте была обнаружена структура ультрамелкого перлита. Целью работы являлось получение подобной структуры без проведения сварки. Для этого предварительно отожженые образцы стали 20 нагревались в расплавленном алюминии в соответствии с режимами, указанными в таблице 1. Охлаждение происходило на воздухе.

 

 

Результаты исследования образцов на растяжение.

Для испытаний на растяжение были подобраны образцы со следущими геометрическими характеристиками:

 

 

График 1. Зависимость предела прочности от времени выдержки в алюминии при температуре 750 °С.

 

 

График 2.

Зависимость предела прочности  от времени выдержки в алюминии при  температуре 800 °С.

 

 

Время выдержки	4	8	15	30	60
Твердость, HV, при 750 °С	271	320	290	363	383
Твердость, HV, при 800 °С	453	441	498	453	440

 

Таблица 3. Значения микротвердости.

 

 

 

а

б

Рис.4 а,б. Структура стали 20 с выдержкой 4с при 750 °С

 

 

а

б

Рис.5 а,б. Структура стали 20 с выдержкой 8с при 750 °С

 

а

б

Рис.6 а,б. Структура стали 20 с выдержкой 30с при 750 °С

 

а

б

Рис.7 а,б. Структура стали 20 с выдержкой 60с при 750 °С

 

а

б

Рис.8 а,б. Структура стали 20 с выдержкой 4с при 800 °С

 

а

б

Рис.9 а,б. Структура стали 20 с выдержкой 8с при 800 °С

 

а

Б

Рис.10 а,б. Структура стали 20 с выдержкой 15с при 800 °С

 

а

Рис.11 а,б. Структура стали 20 с выдержкой 30с при  800 °С

 

а

б

Рис.12 а,б. Структура стали 20 с выдержкой 60с при 800 °С

 

Заключение по проделанной работе

1. Удалось получить структуру ультрамелкого перлита посредством нагрема стали 20 в расплаве алюминия.
2. Экспериментально было подтверждено уравнение Холла-Петча, утверждающее, что с измельчением зерна показатели твердости и прочности растут.
3. Был выбран наиболее удачный режим нормализации стали в расплаве алюминия (800°С, 15 с).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы:

1. Гуляев А.П. Металловедение / А.П. Гуляев - М.: Металлургия, 1977. – 648 с.
2. Тушинский Л. И. Структура перлита и конструктивная прочность стали / Л. И. Тушинский, А. А. Батаев, Л. Б. Тихомирова ; под ред. Е. И. Шемякина. – Новосибирск : Наука, 1993. – 280 с..
3. Лахтин Ю.М. Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева – М.: Машиностроение, 1980. - 493 с.
4. Тушинский Л.И. Структурная теория конструктивной прочности материалов: Монография. – Новосибирск: Из-во НГТУ, 2004. – 400с.
5. Металловедение и термическая обработка стали: в 3 т. / под ред. М. Л. Бернштейна, А. Г. Рахштадта. - М. : Металлургия, 1983. – 3 т

6. Солнцев Ю. П. Металловедение и технология металлов / Ю. П. Солнцев, В. А. Веселов, В. П. Демянцевич и др. – М. : Металлургия, 2002. - 512 с.