Жұмысты орындау тәртібі. 4.4.1 МИМ-7 металлографиялық микроскоппен қараумен шойынның зертханалық коллекциялық үлгілерінің
4.4.1 МИМ-7 металлографиялық микроскоппен қараумен шойынның зертханалық коллекциялық үлгілерінің микроқұрылымын зерттеу.
4.4.2 Үлгілердің микроқұрылымының суретін салып алу және фазалардың және құрылымдық құраушылардың орналасу ерекшеліктерін көрсету.
4.4.3 Ақ, сұр, аса берік және соғылымды шойындардың алу тәсілдерін сипаттау. Таңдалып алынған қорытпалардың құрамы сай қорытпаны диаграммада көрсету және фазалар мен құрылымдар түзілуі кезінде жүретін өзгерістерге талдау жасау.
4.4.4 Жұмыс бойынша есебін құрастыру.
Есепті құрастыру
Орындалған жұмыстың есебінің мазмұны:
1.Тапсырма
2. Жұмыстың мақсаты
3. Теориялық негізінің жазбашасы
4. Ақ, сұр, аса берік және соғылымды шойындардың ұқсас қасиеттеріне жазбаша беру. Шойындарды өндірісте қолдану мүмкіншілігіне мысал келтіру.
5. Сәйкесті түсініктемесімен микроқұрылымдар суретін келтіру.
Бақылау сұрақтары
1. Шойын деген не?
2. Құрылымы бойынша ақ шойындарды қалай топтастыруға болады?
3. Ақ шойындарды қайда қолдануға болады?
4. Қандай шойындар сұр шойындар деп аталады? Оларды қалай маркалауға болады?
5. Сұр шойындардың құрылымын талдаңыз.
6. Аса берік шойындардың құрылымын талдаңыз.
7. Қандай шойындарды соғылымды деп атайды? Оларды қалай алады және соғылымды шойын қалай маркаланады?
8. Сұр, аса берік және соғылымды шойындардың ұқсас ерекшеліктерін көрсетіңіз.
9. Сұр, аса берік және соғылымды шойындарды өндірісте қолданылуына мысал келтіріңіз.
Зертханалық жұмыс
КӨМІРТЕКТІ БОЛАТТАРДЫ ТЕРМИЯЛЫҚ ӨҢДЕУ (ШЫНЫҚТЫРУ ЖӘНЕ ЖҰМСАРТУ)
Жұмыстың мақсаты:алдын ала шынықтырылған көміртекті болаттың микроқұрылымы мен механикалық қасиетіне жұмсарту температурасының әсерін зерттеу.
Тапсырма
5.1.1Көміртекті болаттардың бірнеше маркалары үшін шынықтыру температурасын анықтау.
5.1.2 Зерттелетін үлгілер үшін шынықтыру температурасындағы қыздыру және ұстап тұру уақытын анықтау.
5.1.3 Әрбір құрамды үлгілердің біреуіне шынықтыруды суда және майда орындап, шынықтырудан кейінгі қаттылығын анықтау.
5.1.4 200, 400 және 600°С температурада жұмсарту кезіндегі ұстау уақытын анықтау, шынықтырылған болатқа жұмсарту жүргізу және әрбір жұмсарту түрінен кейіноның қаттылығын анықтау.
5.1.5 Алған нәтилерге қорытынды жасау және есебін құрастыру.
Аспаптар мен материалдар
Жұмысты орындау үшін мыналар міндетті түрде қажет: әртүрлі құрамды қыздырылып өңделген көміртекті болаттардан дайындалған үлгілер жинағы, термоқосақтармен муфельді пештер, суыту орталары бар шынықтырғыш бактар, Бринелл және Роквелл типті аспаптар, микрошлифтерді шлифтеуші және жылтыратқыш станоктар, оптиканың толық кешенімен микроскопиялық микроскоп.
Теориялық негізі
Кез-келген қорытпаны термиялық өңдеу оны белгілі температураға(Т) дейін қыздырып, осы температурада белгілі-бір уақыт аралығында ұстап тұрып (τұ), белгілі жылдамдықпен суытудан (Vсуыту) тұрады. Термиялық өңдеуді материалдың құрылымын: фазалық құрамын және компоненттердің орналасуын, кристалдық түйіршіктердің өлшемі мен пішінін, ақаулар түрін, олардың санын және атомдарының орналасуын өзгертумен қажетті қасиеттерді алу үшін қолданады. Термиялық өңдеу түрін дұрыс таңдау және орындау үшін мынаны міндетті түрде білу керек, атап айтқанда, температураның өзгеру кезінде қорытпаларда қандай өзгерістер жүреді және бұл өзгерістерге Т, τұ, Vсуыту қалай әсер етеді. Болаттың қыздыру температурасын таңдауда көбіне темір – көміртегі күй диаграммасын қолданады. Ұстау уақыты қорытпаны қыздыру температурасын, қорытпа құрамындағы компоненттердің атомдарының диффузиялық қозғалысын және бұйымның өлшемін ескере отырып анықтайды.
Болаттарды термиялық өңдеудің негізгі түрлеріне: қыздырып өңдеу, нормалдау, келесі жұмсартумен шынықтыру операциялары жатады.
Қыздырып өңдеу– құрылымы метатұрақты немесе тепе–теңсіз күйде болатын металды немесе қорытпаны белгілі – бір температураға дейін қыздырып, сол температурада ұстап тұрып, өте жәй жылдамдықпен (пешпен бірге) суытудан тұратын термиялық өңдеу. Оның мақсаты–тұрақты құрылымды алу болып отыр. Қыздырып өңдеуді өңделуін жақсарту, пластикалылығын жоғарлату, қалдық кернеуді кеміту үшін және т.б. жүргізеді.
Нормальдау– металды немесе қорытпаны белгілі температураға дейін қыздырып, ұсақ түйіршіктерді және құрылымдық құраушыларының тепе-тең орналасуын алу мақсатымен тынық ауада келесі суытудан тұратын термиялық өңдеу.
Шынықтыру– металды немесе қорытпаны белгілі температураға дейін қыздырып, ұстап тұрып, сол температурадан бастап метатұрақты немесе тепе-тең құрылымды алу мақсатымен үлкен жылдамдықпен суытудан тұратын термиялық өңдеу түрі. Термиялық өңдеудің бұл түрін қаттылығын, тозуға төзімділігін, беріктігін жоғарлату үшін қолданады.
Шынықтырудың теориялық мүмкіншілігіқорытпаға тиісті жүйенің күй диаграммасының түрімен анықталады. Шынықтыру да қатты күйде болатын өзгерістерді: полиморфтық өзгерісті және температураның төменделуімен ерігіштігінің кемуін қолданады. Әрбір жағдайда қорытпаны фазалық өзгеріс температурасынан жоғары температураға дейін қыздырады: бірінші жағдайда – полиморфтық өзгеріс температурасынан жоғары температурада, ал екінші жағдайда – шектеулі еру сызығынан (сольвус) жоғары температурада қыздырады. Полиморфтық өзгерісімен шынықтыру нәтижесінде мартенситті құрылымның түзілуінің немесе эвтектоидты ыдырау кезінде түйіршіктің ұсақталуының салдарынан қорытпа бекемделеді. Полиморфтық өзгеріссіз шынықтыруды жүргізу кезінде аса қаныққан қатты ерітінді түзіледі, бұл кезде қорытпа бекемделмейді. Керісінше, материалдың пластикалылығы және оның өңделуі артады. Көптеген жағдайларда, болаттар үшін полиморфтық өзгерісімен шынықтыруды қолданады.
Жұмсарту – шынықтыруға ұшыраған метал немесе қорытпа белгілі температураға дейін қыздырып, осы температурада ұстап тұрып келесі суытудан тұратын термиялық өңдеу. Оның мақсаты метатұрақты немесе тепе–тең құрылымның тұрақты құрылымға өзгеруінен тұрады. Жұмсарту материалдың морттығын кемітеді және пластикалылығын жоғарлатады. Осымен, шынықтыру және жұмсартуды үйлесінің нәтижесінде қыздырып өңдеугк қарағанда, жоғары деңгейлі қасиеттермен құрылымды алуға болады.
Эвтектоидты болаттар үшін толық шынықтыру процесін жүргізеді. Бұл жағдайда аустеритті құрылымды алу үшін қыздыруды Ас3 критикалық нүктесінен 30-50°С жоғары температураға дейін қыздырып , жылдам суытудан тұрады. Шынқтырылған болаттың құрылымы мартенсит (М) болады, мартенсит деп α-Fe – нің аса қаныққан қатты ерітіндісі, оның тетрагоналды кристалдық торы бар. Мартенсит құрамындағы көміртегі мөлшері диффузиялық процесс жүрмейтіндіктен сол қалпында қалады. Мартенситтің сипаттамалық белгісі – ретті орналасқан инелі құрылым және қаттылығы жоғары (НВ 6000-7000 МПа). 16–суретте с 890°С температурада суда шынықтырылған 45 маркалы болатының микроқұрылымы көрсетілген. Толық шынықтыру салдарынан болат құрылымында мартенситтен басқа аз мөлшерде өзгермеген аустениті болады, оны қалдық аустенит (АҚ) деп атайды. Бірақ қарастырылып отырған үлгіде қалдық аустенит саны аз және таңдап алынған үлкейту шамасымен шлифті қараған кезде, оны көру мүмкіншілігі жоқ. Шынықтыру температурасын Ас3 сызығынан 100-150°С жоғары температураға дейін жоғарлатқан кезде аустениттің түйіршіктерінің және суыту кезіндегі түзілетін мартенсит кристалдарының айрықша өсуін тудырады. Мұндай қыздырумен болаттың пластикалылығын төмендетеді және оны тәжірибеде қолданбайды.
16 – сурет. Мартенситтің микроқұрылымы
Толық емес шынықтыру кезінде болатты екі фазаның (аустенит пен ферриттің) тепе–теңдік температурасына дейін Ас1 – Ас3 сызықтарының аралығында қыздырады. Суыту кезінде аустенит мартенситке өзгереді, ал феррит өзгеріссіз қалады. Эвтектоидқа дейінгі болатты толық емес шынықтыруда ақшыл түйіршіктерімен феррит және инелі құрылысымен мартенситті бөлімдерімен сипатталатын құрылым болады. Мұндай құрылыммен болат біртексіз және құрылымында ферриттің жұмсақ түйіршіктерінің болуының салдарынан жеткілікті қаттылықты бермейді.
Эвтектоидтан кейінгі болаттарда толық емес шынықтыруды Ас1 сызығынан 35-60°С жоғары температураға дейін қыздырудан (екі фазалы аймақта аустенит + екінші реттік цементит) тұрады. Бұл қыздыру түрінен кейін болат құрылымы мартенситтен, екінші реттік цементит түйіршіктерінен және қалдық аустениттен тұрады. Құрылымда қыздырудан кейін ерімеген цементит түйіршіктерінің болуы салдарынан болатқа жоғары қаттылықты және тозуға төзімділікті береді; қыздыру температурасы төменірек болғанда, қайта қызып кетуі (ірі аустениттік түйіршіктерді алу) және термиялық кернеу болмайды.
Шынықтыру температурасын Аст сызығынан жоғары температураға дейін көтеру кезінде екінші реттік цементиттің еруін тудырады және түйіршіктің өсуіне әсер етеді. Мұндай болаттың құрылымы шынықтырудан кейін анық көрінетін мартенситтің ірі кристалдарынан (инелерінен) және 20-30% және одан да жоғары болатын қалдық аустенит санынан тұрады.
Тәжірибеде қолданылатын көміртекті болаттар үшін шынықтыру температурасы темір–көміртегі тепе–теңдік диаграммасының бір бөлігінде көрсетілген (17–сурет).
17 – сурет. Шынықтыру температурасы ендірілген
Fe-Fe3C күй диаграммасы
Шынықтырғыш (суытқыш) ортаны суыту жылдамдығы критикалық жылдамдықтан жоғары болатындай етіп таңдап алады, демек аустениттің ферритті–цементитті қоспаға ыдырауына мүмкінді бермейді. Жоғары критикалық суыту жылдамдығы бар көміртекті болаттар үшін суды және әртүрлі сулы ерітінділерді, ал критикалық суыту жылдамдығы жоғары емес легірленген болаттар үшін майды және ауаны қолданады. Критикалық суыту жылдамдығымен болаттың суықтай шынығуды қабылдау қабілеттілігін анықтауға болады, демек мартенситті немесе трооститті–мартенситті құрылымымен шыныққан қабаттың қалыңдығын анықтауға болады.
Тәжірибеде, фазалық өзгерістердің кинетикасын және көміртекті болаттарды үздіксіз суыту кезінде болатын (қыздырып өңдеу, нормальдау, шынықтыру кезінде) құрылымдық өзгерістерді түсіндіруде аустениттің изотермиялық ыдырауы диаграммасын қолданады. Бұл диаграмманы С–тәрізді қисықтармен диаграмма деп атайды (18–сурет).
Суыту жылдамдығына байланысты шынықтырудың екі принципиальды әртүрлі тәсілдері – ферриті–цементитті қоспаға шынықтыру және мартенситке шынықтыру тәсілдері бар. Vк критикалық жылдамдығынан төмен жылдамдықпен суыту кезінде перлитті типті құрылымы пайда болады, демек перлит, сорбит, троостит, бейнит құрылымы түзіледі. Сорбит пен троостит перлиттен және бір–бірінен дисперстігінің дәрежесімен (троостит сорбитке қарағанда дисперстірек болады, ал соңғысы перлитке қарағанда) ерекшелінеді. Құрылымы дисперсті болған сайын, оның механикалық қасиеті жоғары болады. Ал суыту жылдамдығы критикалықтан жоғары болғанда, аустенитке мартенситке өзгерісіне әкеледі.
Мартенситті өзгеріс диффузиясыз өзгеріссіз, сырғу механизмімен жүреді. Мартенситтік өзгерістің бастапқы температурасы суыту жылдамдығына байланысты емес, бірақ ол қорытпаның құрамымен анықталады. Көміртегі мен көптеген легірлеуші элементтер өзгерістің бастапқы және соңғы нүктелерінің температурасын төмендетеді. Мартенсит – термодинамикалық тұрақсыз құрылым. Атомдар қозғалысын қыздырумен жылдамдатып тұрақты құрылымды (трооститті, сорбитті, перлитті) түзеді.
а) ә)
18 – сурет. Аустениттің изотермиялық ыдырау диграммасы (а) және
Изотермиялық ыдырау диаграммасына суыну қисығы ендірілген сызба (ә)
Шынықтырылған болатты А1 – нан төмен температураға дейін қыздырып, сол температурада ұстап тұрып, содан кейін кез–келген еркін жылдамдықпен суытудан тұратын термиялық өңдеу түрін жұмсарту деп атайды. Жұмсарту – термиялық өңдеудің соңғы операциясы болып табылады, оны полиморфтық өзгеріске шынықтырудан кейін қалдық кернеуді жою және тұрақты құрылымды алу үшін жүргізеді. Ол мартенситтің және қалдық аустениттің ыдырау процесіне негізделген. Температураның өсуімен (80÷200°С) мартенситтен химиялық құрамы бойынша Fe2C жақын, тепе–теңсіз метатұрақты гексагональды ε-карбидтің бөлінуі жүреді. Мартенситте көміртегінің еру мөлшерінің кемуі оның тетрагональдығын төмендетеді. Әрі қарай температураның өсуімен (200÷260°С) мартенсит әрі қарай ыдырай береді, қалдық аустенит бейнитті механизммен ыдырайды, ал ε-карбид цементитке Fe3C өзгереді. Температураның әрі қарай өсуімен (260-380°С) барлық қалдық көміртегі мартенситтен толық жойылып, тордың тетрагональдығы да жойылады және мартенсит ферритке өзгереді.
Жұмсартудың үш түрі бар: төменгі, орташа және жоғары.
Төменгі жұмсарту – болатты 250°С төмен температурада жұмсартылған мартенситті алу мақсатымен және қалдық кернеуді кеміту үшін жүргізеді. Құрылымды микроскоппен қарағанда, онда айрықша өзгерістер болмайды. Төменгі жұмсартуда мартенситтегі көміртегі концентрациясының кемуі, оның торының тетрагональдығын төмендетуін және ε-карбидтің ұсақ бөлшектерінің бөлінуін тудыратын мартенсит түйіршіктерімен когерентті байланысқан түйіршіктерді тек рентгенқұрылымдық талдаудың көмегімен ғана байқауға болады. Төменгі жұмсартудан өткен микрошлифтер тек интенсивті химиялық өңдеуге болады, жұмсартылған болаттың мартенситінің кристалдары жұмсартуға ұшырамаған шынықтырылған болаттардың құрылымына қарағанда қара түсті береді.Төменгі жұмсартудан кейін болаттың қаттылығы өзгермейді, ал ішкі кернеуі кемиді, соққыға тұтқырлығы мен пластикалылығы жоғарлайды.
Орташа жұмсарту – болатты 250÷500°С температуралық аралықта ыдыраған мартенситтің дисперсті өнімін алу мақсатымен (жұмсарту трооститін немесе трооститті-мартенситті) және қалдық кернеуді кеміту үшін орындайды. Троостит деп цементиттің түйіршікті құрылымымен жұқа дисперсті ферритті–цементитті қоспаны айтады. Жұмсартылған троостит құрылысы, шынықтырылған троостит сияқты айрықша дисперстігімен түзелген феррит пен цементиттің бөлшектерінің салдарынан микроталдауда нашар көрінеді. Орташа жұмсартуды серіппелер, рессорлар, штамптар үшін қолданады. Ол жоғары серпімділік шегін және тозуға төзімділігін қамтамасыз етеді.
Жоғары жұмсарту – болатты 500÷680°С температуралық аралықта жұмсартылған сорбит құрылымын алу мақсатымен жүргізеді. Жұмсарту температурасын 500°С жоғары температураға дейін көтерумен цементит түйіршіктерінің өсуіне (коагуляцияға) әкеледі. Олар бір уақытта шар тәрізді пішінді (сфероидизация) алады. Шынықтыру мен жоғары температуралы жұмсартудың үйлесімін жақсарту деп атайды. Жақсартуға шыдамдылық шегі және соққығы тұтқырлығы бойынша жоғары талаптар қойылатын орташа көміртекті (0,3÷0,5% С) конструкциялық болаттар ұшырайды.
Өте жоғары температуралы жұмсарту (650°С температурадан Ас1– ға дейін қыздырумен) тепе–тең құрылымға жақын келеді; бұл жағдайда перлит пайда болады және қалдық феррит (эвтектоидтан кейінгі болатта) байланысы әлсіз болып қалады. Перлиттің дисперстік құрылысы кемиді, ол қыздырылып өңделген түйіршікті перлиттің құрылысына ұқсас болады.