Исследования свойств штамповой стали после термической обработки (стр. 8 из 17)

2.2.9 Определение количественного соотношения структурных составляющих в сплаве

Объемные соотношения структурных составляющих определяют по их площади на плоскости шлифа. В основе метода лежит математический принцип Кавальери, согласно которому доля фазы (α) в объеме (V) сплава, на площади (F) шлифа и на секущей линии (L), равны друг другу

V_ = F_ = L_ = n_/n. (5)

Широкое применение нашел линейный метод определения количественного соотношения структурных составляющих (метод Розиваля). По этому методу площади фаз вычисляют по длинам отрезков линейки, попавших на данную фазу [11].

В данной работе метод Розиваля был реализован на фотографиях, сделанных с электронного микроскопа.

Было определено число делений шкалы, попавших на карбидную фазу (а) в 10 полях зрения и вычислено объемное содержание карбидов по формуле

V_к = (a_ср/L) × 100%, (6)

где a_ср – средняя сумма отрезков шкалы в делениях линейки, попавших на карбиды;

L – длина всей шкалы (в делениях линейки), L = 100 мм.

2.2.10 Оценка ошибки измеряемых величин

Постановка исследования и способ отбора данных по выбранной методике должны обеспечивать надежность результатов и их точность, достаточную для решения конкретной задачи. Точность эксперимента определяется методами математической статистики с использованием нижеприведенных характеристик.

1. Математическое ожидание случайной величины Х (выборочное среднее)

, (7)

где X_i – i-ое значение измерения;

n – число измерений.

2. Среднее квадратичное отклонение S_х

, (8)

где ν – число степеней свободы, ν = n-1.

3. Дисперсия случайной величины Х

. (9)

4. Стандартное отклонение среднего результата

. (10)

5. Величина доверительного интервала ∆Х при заданной доверительной вероятности (Р = 0,95)

∆Х = t(ν, Р) ×

, (11)

где t(ν, Р) – коэффициент Стьюдента, зависящий от числа произведенных измерений.

6. Относительная ошибка результата серии измерений

ε =

. (12)

Окончательный результат записывается в виде

Х =

± ∆Х. (13)

Статистической обработке подвергали следующие измеренные величины:

1) значения твердости;

2) величины аустенитного зерна, измеренные методом хорд;

3) значения размеров карбидов, выпавших в реплику.

3. Экспериментальная часть

3.1 Влияние температуры закалки на структуру и твердость стали 4Х5МФ1С

Фотографии микроструктуры исследуемых образцов были получены с помощью микроскопа «EPIQUANT» после подготовки поверхности по вышеприведенной методике (см. п. 2.2.1). Травление осуществлялось электролитически при напряжении на катоде 2 В. В качестве травителя применялся спиртовой раствор треххлористого железа и лимонной кислоты.

Структура изучаемой стали представляет собой мартенсит, аустенит остаточный и карбиды (рис.12). Основная структура – мартенсит – плохо выявляется. Структуру необходимо просматривать при больших увеличениях, так как после закалки без перегрева зерна аустенита и кристаллы мартенсита очень малы.

С увеличением температуры нагрева под закалку, в конечном итоге, получаем более крупные мартенситные иглы, что можно наблюдать на фотографиях. Последнее обусловлено ростом действительного зерна аустенита при повышении температуры из-за стремления системы к минимуму свободной энергии. В свою очередь размер действительного зерна аустенита оказывает существенное влияние на дисперсность мартенсита и механические свойства стали в закаленном и отпущенном состоянии.

Общей для всех штамповых сталей тенденцией является большое содержание остаточного аустенита после закалки. Причем с повышением легированности твердого раствора понижаются температуры мартенситного превращения и возрастает количество аустенита. В комплекснолегированных сталях его количество может достигать 15–30% после обработки по оптимальным режимам и 60–80%после закалки с перегревом на 50–70^оС. [4]

Концентрация углерода в мартенсите определяется химическим составом сталей и температурно-временными параметрами аустенизации. После обработки по принятым режимам (то есть на зерно не крупнее 8 балла) она составляет до 65–85% от общего содержания углерода в стали. При понижении температуры закалки фиксируемые в мартенсите содержания углерода уменьшаются, при этом его перераспределению в легированной стали сопутствует обеднение твердого раствора и легирующими элементами. Этот процесс наряду с выделением карбидов по границам зерен аустенита сопровождается также снижением пластичности, ударной вязкости и теплостойкости.

Твердость является важнейшим свойством инструментальных сталей. Она характеризует напряженное состояние, близкое к неравномерному всестороннему сжатию, и тем самым определяет сопротивление значительной пластической деформации и контактным напряжениям. С увеличением твердости в большинстве случаев возрастает износостойкость; увеличивается возможность получения более чистой и ровной поверхности как металла, обрабатываемого резанием или давлением, так и самого инструмента при его шлифовании или доводке; уменьшается налипание обрабатываемого металла на поверхность инструмента и т.д. В зависимости от состава стали и термической обработки твердость может изменяться в широких пределах.

В данной работе была измерена твердость закаленных образцов на приборе Роквелла. Количество измерений твердости составляет не менее пяти для каждого образца. Снятые экспериментальные данные были обработаны с использованием методов математической статистики. Экспериментальные данные представлены в таблице 6.

Таблица 6. Зависимость твердости стали 4Х5МФ1С от температуры закалки

Маркировка образца	Температура закалки, ^оС	Твердость HRC						Среднее квадратичное отклонение результата S_x	Относительная ошибка ε, %
		№ измерения					Среднее значение
		1	2	3	4	5	Среднее значение
1	950	46	44	45	46	45	45	0,87	2,4
12	1 000	49	49	49	48	49	49	0,50	1,2
24	1 050	51	52	51	50	51	51	0,71	1,7
42	1 070	50	51	50	51	51	51	0,94	2,3
59	1 100	53	54	53	55	54	54	0,87	2,0

Исследования показали, что с увеличением температуры закалки увеличивается твердость (рис. 13), так как аустенит (мартенсит после охлаждения) становится более легированным за счет растворения карбидов при нагреве.

Рис. 13. Зависимость твердости закаленных образцов от температуры закалки

сталь штамповой закалка температура

3.2 Влияние температуры отпуска на твердость стали 4Х5МФ1С

Отпуск является обязательной составляющей термической обработки штамповых сталей и приводит к существенным изменениям в их структуре и свойствах.

В сталях, имеющих после аустенизации определенную легированность твердого раствора, отпуск при 450–550^оС приводит к заметному изменению химического состава мартенсита, увеличению содержания карбидов и отчетливо выраженному эффекту упрочнения.

Чтобы определить, как влияет температура отпуска на свойства стали 4Х5МФ1С, была измерена твердость на образцах после закалки на 1070°C и отпуска. Данные измерений приведены в таблице 7.

Изменение твердости стали 4Х5МФ1С в зависимости от температуры отпуска показано на рис. 14.

Таблица 7. Зависимость твердости стали 4Х5МФ1С от температуры отпуска (температура закалки 1 070^оС). Время выдержки при отпуске 1час

Маркировка образца	Твердость после закалки HRC	Температура отпуска, ^оС	Твердость после отпуска HRC						Среднее квадратичное отклонение результата S_x	Относительная ошибка ε, %
			№ измерения					Среднее значение
			1	2	3	4	5	Среднее значение
35	51	230	47	50	48	48	48	48	1,12	2,9
34	51	310	50	50	51	50	50	50	0,50	1,2
31	51	400	51	52	51	51	51	51	0,50	1,2
70	51	530	53	50	53	53	51	53	1,58	3,7
92	51	570	52	53	53	52	53	53	0,71	2,4
2	51	660	42	43	42	43	43	43	0,71	2,1

Рис. 14. Зависимость твердости стали 4Х5МФ1С от температуры отпуска

Видно, что отпуск при 200–300^оС снижает твердость из-за выделения из мартенсита цементитного карбида. Отпуск при температурах порядка 500–550^оС создает вторичную твердость, вследствие дисперсионного твердения. В молибденовых сталях на этой стадии выделяются карбиды Ме₂₃С и Ме₆С. При дальнейшем повышении температуры усиливается коагуляция карбидов, что ведет к снижению твердости.