Лабораторная работа № 3. Определение прокаливаемости стали методом торцовой закалки

Цель работы: ознакомление с методом торцовой закалки при испытании стали на прокаливаемость; определение влияния химического состава стали и размеров детали на прокаливаемость.

Оборудование и инструмент: печь SNOL 05/1250; стальные заготовки для закалки; твердомер Роквелла ТР 5014; измеритель температуры оптический ИТ-3СМ.

 

3.1 Общие положения

 

Прокаливаемостьюназывается свойство стали изменять свою структуру под влиянием закалки на большую или меньшую глубину.

Прокаливаемость зависит от критической скорости охлаждения стали при закалке, которая в свою очередь зависит от химического состава стали и ее зернистости, от температуры нагрева и времени выдержки стали при закалке.

На рисунке 3.1 изображена диаграмма, показывающая зависимость прокаливаемости стали и ее критической скорости охлаждения при закалке от различных факторов. Из этой диаграммы видно, что глубина закаленного слоя, характеризующая прокаливаемость стали, увеличивается по мере понижения критической скорости охлаждения.

 

                           

Рисунок 3.1– Зависимость прокаливаемости и критической скорости закалки от содержания углерода (% С), примесей (% Пр), величины зерна аустенита (rз), температуры (tнагр) и времени выдержки (tвыд)

Рисунок 3.2 – Схема охлаждения образца при торцовой закалке

 

Метод торцовой закалки стандартизован и распространяется на конструкционную углеродистую и легированную стали.

Схема охлаждения для испытания на прокаливаемость стали методом торцовой закалки изображена на рисунке 3.2. Для испытания стали на прокаливаемость применяется стандартный образец. Его форма и размеры показаны на рисунке 3.3. Нагрев образцов производится в электропечи. Продолжительность нагрева составляет 30 мин. Торец образца, подлежащий охлаждению водой, должен быть предохранен от окисления и обезуглероживания, поэтому образец помещают в стальной контейнер цилиндрической формы, в котором он опирается охлаждаемым торцом на графитовую или угольную пластину (рисунок 3.4).

              

 

Рисунок 3.3 – Стандартный образец для испытания стали на прокаливаемость

Рисунок 3.4 – Установка образца в контейнере

Поступающая под давлением вода, имеющая температуру в пределах от 10 до 25°С, должна касаться только торца образца, который должен находиться под струёй до полного охлаждения (не менее 10 мин). Наибольшая скорость охлаждения у торца, омываемого струей воды. По мере удаления от торца скорость охлаждения постепенно убывает. Тип образующихся структур по длине образца изменяется от мартенситной (у водоохлаждаемого торца) до феррито-цементитной. В соответствии с этим изменяется и твердость.

Величиной прокаливаемости является расстояние от торца образца до зоны с полумартенситной структурой. Для этого необходимо знать величину твердости стали, имеющей полу мартенситную структуру, т. е. стали, содержащей 50 % мартенсита и 50% троостита. Эта твердость зависит только от содержания углерода в стали (рисунок 3.5). Чем больше характеристическое расстояние, тем выше прокаливаемость стали.

 

 

Рисунок 3.5 – Зависимость твердости полу мартенситной структуры от содержания углерода в стали

 

Наиболее полно отражает прокаливаемость критический диаметр D_кр, который представляет собой наибольший диаметр прутка стали, прокаливающегося насквозь. Он определяется с помощью номограммы
М. Е. Блантера (рисунок 3.6).

Рассмотрим применение номограммы на примере.

В результате испытания на торцовую закалку было определено, что характеристическое расстояние данной стали равно 6 мм. Для определения критического диаметра сквозной закалки находим на шкале «Мартенсит» (справа вверху) деление 6и опускаем из него перпендикуляр до пересечения с линией идеального охлаждения (точка а). От точки а проводим гори­зонтальную линию влево до пересечения с вертикальной осью, на которой указана скорость охлаждения в центре закаливаемого тела. От точки б – пересечения горизонтальной линии с линией заданной охлаждающей среды «вода» – опускаем перпендикуляр до шкалы формы и размеров. В данном случае форма изделия соответствует цилиндру с соотношением длины к диаметру, равным 1 (L/D = 1). В точке в читаем ответ: критический диаметр равен 18 мм.

Подобным образом можно определить и критический диаметр стали для содержания в сердцевине 50 % мартенсита и 50 % троостита (вторая шкала справа вверху), для различных сред и разной формы закаливаемых тел.

Рисунок 3.6 – Номограмма М. Е. Блантера

Контрольные вопросы

1 Перечислить факторы, влияющие на прокаливаемость стали.

2 Что представляет собой полу мартенситная зона, что она характеризует?

3 Как определяется прокаливаемость?

Задание

1 Зарисовать схему охлаждения образца при торцовой закалке.

2 Произвести испытание на прокаливаемость образцов углеродистой и легированной сталей.

3 Замерить твердость по образующей образцов и записать в таблицу 3.1. Определить расстояние до полу мартенситной зоны, используя данные таблицы 3.2 и построенного графика (п. 5).

 

Таблица 3.1 – Результаты измерений твердостей по образующей образцов

Углеродистая сталь					Легированная сталь
Номер            образца	Марка стали	Содержание С, %	Расстояние от охлаждаемого торца	Твердость HRC	Номер          образца	Марка стали	Содержание С, %	Расстояние от охлаждаемого торца	Твердость HRC

Таблица 3.2 – Типовые твердости закаленных сталей

Содержание углерода, %	Твердость HRC
	Углеродистая сталь	Легированная сталь
0,08–0,17 0,18–0,22 0,23–0,27 0,28–0,32 0,33–0,42 0,43–0,52 0,53–0,62	– – – 35 40 45 50	25 30 35 40 45 50 55

 

4 Построить зависимость в координатах «твердость HRC – расстояние от водоохлаждаемого торца, мм».

5 Определить критический диаметр для разных форм тела и разных охлаждающих сред, используя номограмму М. Е. Блантера.

6. С помощью оптического измерителя температуры определить скорости охлаждения для поверхностей, удаленных от водоохлаждаемого торца на расстояниях 10 и 30 мм.

 

4 Лабораторная работа № 4. Отпуск закаленной стали

 

Цель работы: изучение теории и технологии отпуска закаленной стали; проведение заключительной термической обработки – отпуска закаленной стали.

Оборудование и инструмент: печи SNOL 02/1250; стальные заготовки для отпуска; твердомер Роквелла ТР 5014.

Отпуском называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки А₁, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью.

Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой снимаются внутренние закалочные напряжения (термические и структурные) и формируется требуемый комплекс механических свойств.

После закалки сталь имеет структуру мартенсита с некоторым количеством аустенита остаточного. Эти фазы при комнатной температуре являются метастабильными (неустойчивыми) и сохраняются только по той причине, что в этих условиях отсутствует диффузионная подвижность атомов железа и углерода. Повышение температуры, активизирующее диффузию, приводит к распаду этих фаз, конечным продуктом которого в равновесных условиях должна являться феррито-цементитная смесь. Степень распада мартенсита и аустенита остаточного при отпуске определяется температурой обработки. При этом в зависимости от температуры нагрева в процессе отпуска имеют место четыре превращения.

Первое превращение при отпуске – при температурах от 80 до 300 ^оС происходит распад мартенсита (пересыщенного углеродом a-твердого раствора), обусловленный выделением части углерода из решетки мартенсита и образованием e-карбидов с гексагональной решеткой (Fe_хC). Пластинки e-карбидов когерентно связаны с решеткой a-твердого раствора (мартенсита). Образующаяся после первого превращения при отпуске структура, представляющая собой пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе (но степень пересыщения меньше, чем непосредственно после закалки) и когерентно связанные с ним дисперсные выделения e-карбидов, называется отпущенным мартенситом (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – Схема образования мартенсита отпуска при нагреве

 

Уменьшение количества растворенного углерода снижает тетрагональность решетки мартенсита. Некоторое снижение внутренних напряжений приводит к повышению вязкости материала. Твердость, прочность и износостойкость при этом практически не изменяются. Низкотемпературный отпуск предназначен для инструментальных сталей, а также для деталей машин прошедших цементацию, нитро цементацию или цианирование. Структура «мартенсит отпуска» характерна для инструментов подвергаемых ударным нагрузкам, например, клеймам, зубилам, топорам, молоткам, вырубным пуансонам. Эти инструменты изготавливают из доэвтектоидных сталей У7, 6ХС, 7ХС, отсутствие цементита в которых обеспечивает достаточную вязкость.

Второе превращение при отпуске – превращение аустенита остаточного в мартенсит отпущенный. При температурах отпуска 250–300 ^оС остаточный аустенит обедняется углеродом и легирующими элементами. В результате этого температуры точек М_н и М_к повышаются (рисунок 4.2). Например, при закалке стали У12 температура конца мартенситного превращения составляет минус 100⁰С, что приводит к образованию большого количества остаточного аустенита (около 50%).

 

Рисунок 4.2 – Изменение температуры окончания мартенситного превращения в стали У12 при снижении содержания углерода в аустените остаточном

 

В процессе нагрева при отпуске аустенит остаточный обедняется углеродом до 0,4%, что приводит к повышению температуры конца мартенситного превращения от - 100 ⁰С до +100 ⁰С (т.е. на 200 ⁰С, согласно рисунка 4.2). При извлечении заготовки из печи температура ее снижается от 250 ⁰С до 100 ⁰С, что приводит к превращению аустенита в мартенсит закалочный. В процессе дальнейшего снижения температуры (до 80 ⁰С) завершается первое превращение при отпуске и образуется мартенсит отпуска. Таким образом, продуктом распада остаточного аустенита является гетерогенная смесь, состоящая из мартенсита отпуска и цементита (Fe₃С). Образование цементита может протекать как путем перестройки решетки e-карбида в решетку цементита, так и непосредственным выделением углерода из решетки аустенита.

Третье превращение (превращение мартенсита отпуска в тонкую феррито-цементитную смесь). К началу третьего превращения (t» 300 ^оС) сталь состоит из малоуглеродистого мартенсита (С» 0,1 %) с кубической решеткой и когерентно связанных с ней выделений e-карбидов. При температурах 350–400 ^оС завершается процесс выделения избыточного углерода из мартенсита и превращения его в феррит (содержание углерода в твердом растворе становится равным 0,01%, что соответствует его равновесной концентрации в феррите). По мере снижения концентрации углерода в a- твердом растворе происходит увеличение количества цементита и рост его кристаллов. На определенном этапе этого процесса происходит срыв когерентности между решетками цементита и феррита. Это приводит к снижению внутренних напряжений и вызывает значительное уменьшение твердости и прочности (≈ 40HRC). К концу третьего превращения образуется дисперсная (тонкая) ферритокарбидная смесь, называемая трооститом отпуска. Характерной особенностью этой структуры является высокий предел упругости, что обусловливает использование ее при изготовлении упругих элементов: пружин, рессор.

Четвертое превращение (коагуляция и сфероидезация карбидов). Повышение температуры отпуска до 500–600 ^оС не вызывает фазовых превращений, но вследствие развития диффузионных процессов реализуется стремление системы к снижению свободной энергии из-за уменьшения поверхностной энергии в процессе объединения групп мелких зерен в более крупные. Поэтому при этих температурах основными процессами являются начавшиеся на стадии третьего превращения коагуляция и сфероидизация карбидов. Образующаяся структура представляет собой более грубую (крупную), чем после третьего превращения ферритокарбидную смесь зернистого типа, называемую сорбитом отпуска. Укрупнение зерен приводит к снижению прочностных свойств (до 25HRC), но округление формы зерен обусловливает снижение напряжений, возникающих в процессе нагрузок, повышение ударной вязкости, что, в совокупности, приводит к повышению надежности изделий от внезапного хрупкого разрушения. Сорбит отпуска используют для изготовления ответственных деталей машин, работающих в тяжелых условиях нагружения (знакопеременных нагрузках и сложных напряженных состояниях), например: валов, осей, полуосей, шатунов, коленчатых валов и пр.

Общая закономерность изменения механических свойств при повышении температур отпуска заключается в снижении прочностных характеристик (s_В, НВ) и возрастании характеристик пластичности (d, y) и особенно ударной вязкости (KCU).

В зависимости от температуры различают три разновидности отпуска: низкий, средний и высокий.

Низким отпуском называют нагрев закаленной стали до температур, не превышающих 200 ^оС. Такой отпуск практически не вызывает снижения твердости закаленной стали; образующаяся структура – отпущенный мартенсит. Такой отпуск рекомендуется при термической обработке инструментальных сталей и цементированных деталей.

Средним отпуском называют нагрев закаленной стали до температур 350–450 ^оС. Такой отпуск вызывает некоторое снижение твердости; образующаяся структура – троостит отпуска. Этот вид отпуска рекомендуется при термической обработке рессор и пружин.

Высоким отпуском называют нагрев закаленной стали до температур 500–600 ^оС. Такой отпуск вызывает значительное снижение твердости закаленной стали; образующаяся структура – сорбит отпуска.

Сорбит отпуска обеспечивает хорошее сочетание свойств – достаточной прочности, вязкости и пластичности. Поэтому закалка стали с последующим высоким отпуском носит название термического улучшения. Эта обработка рекомендуется для среднеуглеродистых (улучшаемых) конструкционных сталей, применяемых для изготовления ответственных деталей машин.

Контрольные вопросы

1. Дать определение отпуску, указать виды отпуска и область их применения.

2.  Изложить сущность и механизм 4-х превращений, протекающих в процессе отпуска закаленной стали, указать образующиеся при этом структуры, их свойства и области применения.

 

Задание по работе

 

1. Изучить и описать основные превращения при отпуске.

2. Определить твердость образцов после отпуска, результаты экспериментов свести в таблицу 4.1 и сделать соответствующие выводы.

Таблица 4.1 – Влияние температуры отпуска на твердость и микроструктуру стали 40

 

Температура отпуска, оС	Твердость, HRC	Микроструктура
Без отпуска 200 400 600

 

3. Нарисовать схему и описать процессы, обеспечивающие протекание второго превращения при отпуске.

5 Лабораторная работа № 5. Изучение зависимости между структурой и свойствами стали после различных видов термической обработки

 

Цель работы: изучение методики назначения режимов термической обработки и основных фазовых превращений, протекающих в сталях при отжиге, нормализации, закалке и отпуске.

Оборудование и инструмент: микроскоп металлографический ЛабоМет-1, видеокамера TOUPCAM^TM, ПЭВМ ITEX ^TM MAXIMA,

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. При термической обработке стали протекают фазовые превращения. Они вызваны тем, что вследствие изменившихся условий (температуры) новое состояние оказывается более устойчивым, чем старое, так как обладает меньшим запасом свободной энергии. Характер фазовых превращений зависит от скорости охлаждения. Превращения, протекающие при медленном охлаждении, близкие к равновесным; описываются диаграммой «железо-цементит». Диаграмма является также основой для изучения термической обработки. Она указывает каким видам термической обработки может быть подвергнут сплав и до каких температур требуется производить нагрев. Участок диаграммы «железо-цементит», необходимый для назначения термической обработки стали, представлен на рисунке 5.1.

 

0С

%

Рисунок 5.1 – «Стальной» участок диаграммы «железо-цементит»

 

Приведем общепринятые обозначения критических точек, необходимых для термической обработки стали. Критические точки обозначаются буквой А (фр. Arret – остановка). Точка А₁ лежит на линии РSК и соответствует превращению аустенит – перлит. Точка А₃ лежит на линии GSЕ и соответствует началу выделения (или окончанию растворения) феррита в доэвтектоидных сталях или цементита вторичного в заэвтектоидных сталях. Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, после буквы А ставят буквы «с» и «r», соответственно (Аc₁, Аr₁, Аc₃, Аr₃). Точку Аc₃ для заэвтектоидной стали часто обозначают как точку Ас_m.

Основными видами термической обработки стали являются отжиг первого рода, отжиг второго рода, закалка, отпуск.

Отжиг первого рода. Отличительная особенность отжига первого рода состоит в том, что его проведение не обусловлено фазовыми превращениями. Основными параметрами отжига первого рода являются температура нагрева и время выдержки при этой температуре. Скорости нагрева и охлаждения при этом имеют второстепенное значение. Отжиг первого рода частично или полностью устраняет отклонения от равновесного состояния, имеющиеся в стали после литья, обработки давлением, сварки и других технологических операциях. В зависимости от того, какие отклонения от равновесного состояния устраняются, различают гомогенизационный, рекристаллизационный и отжиг для снятия внутренних напряжений.

Гомогенизационный отжиг предназначен для устранения дендритной ликвации в литой стали. При этом сталь подвергается длительной выдержке (до 48 часов) при 1000 ^оС. При высокой температуре подвижность атомов в кристаллической решетке высокая и с течением времени за счет процессов диффузии происходит постепенное выравнивание химического состава. Однако усреднение химического состава происходит в пределах одного зерна, т.е. устраняется в основном дендритная ликвация. После гомогенизации металл обладает повышенной пластичностью и легко поддается пластической деформации.

Рекристаллизационный отжиг. Холодная пластическая деформация вызывает изменение структуры металла и его свойств. Сдвиговая деформация вызывает увеличение плотности дефектов кристаллической решетки, таких как вакансии, дислокации. Все эти процессы ведут к тому, что прочность металла постепенно увеличивается, пластичность падает, т. е. возникает наклеп (нагартовка). Дальнейшая деформация такого металла невозможна, т. к. происходит его разрушение. Для снятия эффекта упрочнения применяют рекристаллизационный отжиг, т.е. нагрев металла до температур выше начала рекристаллизации, выдержку с последующим медленным охлаждением. Температура отжига на 100–200 ^оС выше температуры рекристаллизации, определяемой из выражения Т_рек = 0,4×Т_пл.

Продолжительность такого отжига зависит от размеров детали и в среднем составляет от 0,5 до 2 часов. В процессе рекристаллизационного отжига происходит образование зародышей новых зерен и последующий рост этих зародышей. Постепенно старые деформированные зерна исчезают. Количество дефектов в кристаллической решетке уменьшается, наклеп устраняется, и металл возвращается в исходное состояние.

Рекристаллизационный отжиг может применяться как предварительная, промежуточная, так и как окончательная термообработка. Как предварительная термообработка он применяется перед холодной деформацией, если исходное состояние металла неравновесное и имеет какую-то степень упрочнения. Как промежуточная операция рекристаллизационный отжиг применяется между операциями холодной деформации, если суммарная степень деформации слишком велика и запасов пластичности металла не хватает. Как окончательный вид отжига его применяют в том случае, если потребитель требует поставки полуфабрикатов в максимально пластичном состоянии.

Отжиг для снятия внутренних напряжений. Внутренние напряжения в металле могут возникать в результате различных видов обработки. Это могут быть термические напряжения, образовавшиеся в результате неравномерного нагрева, различной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячей деформации, литья, сварки, шлифовки и резания. Могут быть структурными, т. е. появившиеся в результате структурных превращений, происходящих внутри детали в различных местах с различной скоростью. Внутренние напряжения в металле могут достигать большой величины и, складываясь с рабочими, т. е. возникающими при работе, могут неожиданно превышать предел прочности и приводить к разрушению. Этот отжиг проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации: t_отж=0,2-0,3Тпл. Повышенная температура облегчает скольжение дислокаций и, под действием внутренних напряжений, происходит их перераспределение, т. е. из мест с повышенным уровнем внутренних напряжений дислокации перемещаются в области с пониженным уровнем. Происходит как бы разрядка внутренних напряжений. При комнатной температуре этот процесс будет длиться в течение нескольких лет. Увеличение температуры резко увеличивает скорость разрядки, и продолжительность такого отжига составляет несколько часов.

Отжиг второго рода. При отжиге второго рода сталь нагревается на 30–50 ^оС выше критических точек Аc₁ или Аc₃ с последующим медленным охлаждением, как правило, вместе с печью. На диаграмме изотермического превращения аустенита (рисунок 5.2) скорость охлаждения при отжиге соответствует кривой V₁.

В зависимости от температуры нагрева стали различают полный и неполный отжиг. При полном отжиге нагрев ведется на 30–50⁰ выше точки Ас₃, при неполном – в область меж критических температур (Ас₁ < t_{нагрева} < Ас₃). Основными целями отжига являются, перекристаллизация стали и устранение внутренних напряжений. Полный отжиг приводит к полной перекристаллизации (все составляющие исходной структуры при температуре нагрева переходят в аустенит). При неполном отжиге перекристаллизацию испытывает только перлит; феррит (в доэвтектоидной стали) и цементит вторичный (в заэвтектоидной стали) перекристаллизовываются частично.

t

Рисунок 5.2 – Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали

 

Отжиг приводит к снижению твердости, повышению пластичности и получению однородной мелкозернистой структуры. При медленном охлаждении стали, нагретой в аустенитную область, все фазовые превращения проходят в соответствии с диаграммой «железо-цементит». Для доэвтектоидных сталей, как правило, проводится полный отжиг, для заэвтектоидных – неполный.

На структуру стали оказывает влияние температура отжига. Отжиг при температурах, значительно превышающих Ас₃, приводит к перегреву стали. У перегретой стали величина, форма и расположение зерен будут иными. Так, при нагреве стали 45 до 1000 ^оС (нормальный отжиг проводится при 860 ^оС) зерна аустенита вырастают до значительных размеров. В результате этого при охлаждении образуются крупные зерна перлита, а феррит выделяется в виде крупных игл (пластин) внутри перлита по определенным кристаллографическим плоскостям (рисунок 5.3). Такая структура носит название видманштетовой. Сталь с видманштетовой структурой имеет низкую ударную вязкость. Перегретую крупнозернистую сталь можно исправить путем нормального отжига. Видманштетова структура характерна также для литой стали, для сварных швов, для кованой стали, если ковка закончилась при высокой температуре.

При неполном отжиге заэвтектоидных сталей нагрев проводится на 30–50 ^оС выше Ас₁. Так как в заэвтектоидных сталях количество цементита вторичного по сравнению с перлитом относительно невелико, при неполном отжиге они испытывают практически полную перекристаллизацию. Не растворившиеся при нагреве частицы цементита вторичного (присутствующие в структуре в небольшом количестве) являются центрами кристаллизации для цементита, образующегося при последующем охлаждении ниже точки Ас₁ в результате эвтектоидного распада аустенита. В этом случае цементит принимает зернистую форму. Такой отжиг часто называют сфероидизирующим.

 

     

 

а) – при 860 ^оС (правильный режим);                          б) – при 1000 ^оС (перегрев)

Рисунок 5. 3 – Микроструктура стали 45 после отжига

 

В результате сфероидизирующего отжига образуется зернистый перлит (рисунок 5.4). Изменение формы включений цементита позволяет повышать вязкость стали; облегчает процесс обработки резанием. Такая структура стали является идеальной перед закалкой.

В заводской практике с целью экономии времени и получения более стабильных результатов все большее распространение получает так называемый изотермический отжиг. В этом случае сталь, нагретая выше критических точек Ас₁ или Ас₃, охлаждается с любой скоростью до температуры, лежащей на 50–100 ^оC ниже равновесной точки А₁, и при этой температуре выдерживается в течение времени, необходимого для полного распада аустенита. Так как превращение А®П идет при постоянной температуре и во всем объеме детали одновременно, такой способ отжига позволяет получить равномерную структуру по всему объему детали. Такой вид отжига применяется для крупногабаритных деталей ответственного назначения. В дальнейшем охлаждение до комнатной температуры ведется с любой скоростью.

Разновидностью отжига является нормализация. Особенностью нормализации является то, что охлаждение проводится на воздухе. После нормализации среднеуглеродистые стали имеют тот же фазовый состав, что и после отжига, однако дисперсность фаз в этом случае выше (рисунок 5.5), вместо перлита образуется структура близкая к сорбиту. Это приводит к повышению твердости и прочности материала. Нормализация является более дешевой термической обработкой, чем отжиг. Для низкоуглеродистых сталей (С < 0,3 %) разница в структуре и свойствах материалов, подвергнутых отжигу и нормализации, невелика. Эти стали рекомендуется подвергать не отжигу, а нормализации.

 

Рисунок 5.4 – Микроструктура зернистого перлита заэвтектоидной стали	Рисунок 5.5 – Микроструктура доэвтектоидной стали 45 после нормализации

Для среднеуглеродистых сталей различие в свойствах нормализованной и отожженной сталей более значительно. В этом случае нормализация не может заменить отжиг. Для этих сталей нормализацией часто заменяют более дорогую операцию – улучшение, состоящую в двойной обработке, включающей закалку и высокий отпуск.

Закалка. Закалкой называется такой вид термической обработки, который заключается в нагреве на 30–50 ^оС выше точки Ас₃ или Ас₁, выдержке для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью, как правило, выше критической V_к. При охлаждении со скоростью, выше критической, аустенит переохлаждается ниже температуры точки М_н, при которой атомы железа и углерода практически теряют диффузионную подвижность, и происходит бездиффузионная перестройка гранецентрированной решетки аустенита в тетрагональную объёмно-центрированную решетку мартенсита. При этом весь углерод остается в твердом растворе Fе_g(С) ® Fе_a(С). Таким образом, мартенсит является пересыщенным твердым раствором углерода в a -железе. Мартенсит имеет игольчатое строение. Размер игл мартенсита определяется величиной исходного зерна аустенита. Чем больше зерно аустенита, тем крупнее размер игл образовавшегося мартенсита. При нормальной закалке образуется мелкоигольчатый мартенсит. Высокая твердость и прочность мартенсита объясняется искажением решетки вследствие образования пересыщенного твердого раствора. Вследствие образования большого количества дефектов кристаллического строения пластическая деформация закаленной стали затруднительна и она склонна к хрупкому разрушению.

В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку. В случае нагрева под неполную закалку (выше Ас₁, но ниже Ас₃) доэвтектоидная сталь имеет структуру аустенита и феррита, а заэвтектоидная – аустенита и цементита вторичного. Количество избыточных фаз (феррита или цементита) зависит от температуры закалки. Чем ближе температура нагрева к точке Ас₃, тем меньше в структуре закаленной стали избыточных фаз.

Отпуск. После закалки сталь подвергают отпуску. Под отпуском понимается совокупность операций, заключающихся в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки Ас₁, выдержке и охлаждении до комнатной температуры. Практическими целями отпуска являются уменьшение закалочных напряжений, получение нужного комплекса механических свойств (прочности, пластичности и вязкости).

Отпуск приводит к снижению твердости, прочности и повышению пластичности. Причем влияние на указанные свойства тем больше, чем выше температура отпуска.

В зависимости от температуры нагрева различают три разновидности отпуска: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск проводят путем нагрева закаленной стали до 200 ^оС. При этом образуется структура мартенсита отпущенного. Низкий отпуск частично снимает внутренние напряжения и несколько повышает вязкость. Твердость при низком отпуске практически не снижается. Такой отпуск наиболее часто применяется при термической обработке инструментальных сталей и изделий после цементации.

При среднем отпуске нагрев закаленной стали производится до температур 350–450^оС, при этом образуется структура троостита отпуска. Троостит отпуска состоит из дисперсных частиц феррита и цементита. Сталь со структурой троостита отпуска имеет высокий предел упругости. Поэтому средний отпуск обычно применяют при термической обработке рессор и пружин.

При высоком отпуске нагрев закаленной стали производится до температур 500–650 ^оС; образуется структура – сорбит отпуска, представляющий собой смесь укрупненных частиц феррита и цементита округлой формы. Сорбит отпуска имеет хорошее сочетание свойств: прочность, пластичность и вязкость. Твердость сорбита составляет 300–350 НВ. Закалка стали с последующим высоким отпуском на сорбит носит название термического улучшения. Эта обработка рекомендуется для среднеуглеродистых конструкционных сталей.

 

Контрольные вопросы

1. Дать определения термической обработке, отжигу 1-го рода, отжигу 2-го рода закалке, отпуску.

2. Описать разновидности отжига 1-го и 2-го рода, указать их режимы и назначение.

3.  Указать преимущества нормализации и изотермического отжига.

Задание по работе

1 Дать определение основным видам термической обработки, указать их цель.

2 Описать разновидности отжига 1-го и 2-го рода, указать их режимы и назначение.

3 Изучить влияние отпуска на фазовые превращения и характер образующихся микроструктур.

4 Изучить структуру предложенных шлифов, зарисовать ее и указать структурные составляющие и фазы.