Термическая обработка, структура

И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ В НЕРАВНОВЕСНОМ

СОСТОЯНИИ

Цель работы: получение практических навыков по выбору оптимальных режимов термической обработки стали в зависимости от ее назначения и химического состава. Изучение влияния структурных превращений, протекающих в процессе термической обработки, на строение и свойства сталей.

Оборудование и материалы: нагревательные печи, охлаждающие среды, образцы сталей, твердомер, микроскоп металлографический, атлас микроструктур сталей в неравновесном состоянии.

 

1. Теоретическое введение

 

Упрочнению термической обработкой в машиностроении подвергается до 40 % стали, потребляемой этой отраслью. Выбор материала и вида его термической обработки с целью получения максимальных технико-экономических показателей является наиболее важным и сложным звеном в процессе конструирования и изготовления изделия, определяющим его надежность и долговечность. Основными видами термической обработки, различно изменяющими структуру и свойства стали, и назначаемыми в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам и изделиям, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг в промышленности в большинстве случаев является подготовительной термической обработкой, приводящей сталь в наиболее равновесное состояние. По структуре в отожженном состоянии стали разделяются на 6 классов: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные (углеродистые и легированные), ферритные, аустенитные, ледебуритные (только легированные).

Нормализация технологически отличается от отжига только условиями охлаждения. При отжиге охлаждение производится вместе с печью, а при нормализации - на спокойном воздухе. Однако влияние нормализации на структуру и свойства стали отличается от влияния отжига и зависит от химического состава стали. В углеродистых сталях она заменяет отжиг, а в легированных - закалку. По структуре нормализации стали разделяются на 4 класса: перлитные (углеродистые и низколегированные), мартенситные (среднелегированные), аустенитные и ферритные (высоколегированные). Кроме легирующих элементов очень важное влияние на структуру стали в нормализованном состоянии оказывает углерод.

Наиболее важным и в большинстве случаев определяющим конечную структуру и свойства стали видом термической обработки является закалка. При выборе закалки в качестве операции термической обработки для конкретного материала следует помнить, что она возможна только в случае, если в материале имеют место фазовые превращения в твердом состоянии: полиморфные превращения, эвтектоидный распад, переменная растворимость компонентов в твердом состоянии. Очень важным является также, что закалка как технологический процесс является сама по себе упрочняющей обработкой. Упрочняться непосредственно после закалки могут только углеродистые и некоторые легированные стали, содержащие большое (> 0,3 %) количество углерода. В остальных случаях ускоренное охлаждение в процессе закалки препятствует диффузионным процессам и фиксирует неравновесную структуру, невозможную при медленном охлаждении. Получение неравновесной структуры может увеличивать пластичность и снижать твердость стали, т.е. разупрочнять материал.

При проведении закалки наиболее важным является выбор температуры нагрева, которая зависит от типа диаграммы и химического состава обрабатываемого сплава.

Доэвтектоидные стали с целью упрочнения подвергают закалке с температуры на 30-50 ⁰С выше линии А₃(GS). Закалка с температуры ниже линии А₁ не имеет смысла, так как фиксирует феррито-перлитную структуру, характерную для отожженного состояния. Закалка из промежуточной области между линиями А₁ и А₃ является также неправильной, т.к. наряду с мартенситом – структурой, обладающей максимальной твердостью и прочностью, достижимой в стали, имеется феррит – структура с минимальной твердостью и максимальной пластичностью. Получение феррито-мартенситной структуры является браком по недогреву. Нагрев до температур, значительно превышающих температуру А₃, приводит к росту зерна аустенита и, как следствие, получению крупноигольчатого мартенсита с пониженной ударной вязкостью (брак по перегреву). Выдержка углеродистой стали при высоких температурах вызывает также пережог и обезуглероживание.

Заэвтектоидные стали подвергают закалке из промежуточной области с температуры на 30-50 °С выше линии А₁. Присутствие в закаленной стали цементита, фазы еще более твердой, чем мартенсит, увеличивает ее твердость. Однако следует помнить, что заэвтектоидную сталь перед закалкой следует подвергать отжигу на зернистый перлит, т.к. в противном случае вторичный цементит, располагающийся по границам зерен, охрупчивает сталь. Нагрев заэвтектоидной стали выше линии А_ст нецелесообразен, т.к. требует больших затрат энергии на нагрев стали до более высоких температур, увеличивает опасность пережога и обезуглероживания, а характеристики твердости получаются более низкими. Оптимальные температуры нагрева углеродистых сталей под закалку приведены на рис.4.1а.

Стали ледебуритного класса, к которому относятся быстрорежущие стали, нагревают до более высоких температур (1200-1300 °С). Столь высокая температура необходима для более полного растворения в аустените легирующих элементов. Нагрев до столь высоких температур не приводит к перегреву, т.к. в структуре стали даже при столь высоких темпера температурах имеется много избыточных карбидов, препятствующих увеличению размеров зерен (Рис. 4.1в).

Стали аустенитного и ферритного классов не подвергают

закалке с целью упрочнения, т.к. закалка фиксирует однофазную аустенитную или ферритную структуру, характерную и для отожженного состояния, поскольку в сталях указанных классов нет превращений в твердом состоянии (рис.4.2,в).

 

Рис. 4.1. Оптимальная температура нагрева под закалку доэвтектоидных (а) и высоколегированных ледебуритных сталей (б)

 

Кроме температуры нагрева, очень важным условием получения необходимой структуры и свойств стали является выбор скорости охлаждения, определяемой охлаждающей средой. При одинаковой скорости охлаждения структура и свойства стали также будут зависеть и от ее химического состава. Влияние скорости охлаждения на структуру углеродистой стали показано на рис.4.2 а. При отжиге в углеродистой стали получается структура перлита, а при нормализации - сорбита. Закалка в масло приводит к образованию либо трооститной, либо троостито — мартенситной структуры, что в большинстве случаев является нежелательным (брак по недостаточной скорости охлаждения), т.к. не обеспечивается заданный уровень твердости. Необходимую твердость углеродистая сталь получает только при закалке в воде.

Легирование стали увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита и позволяет получать структуру мартенсита при меньших скоростях охлаждения: в масле, расплавах солей и даже на воздухе (рис.4.2,б). Закалка на мартенсит в более мягких охлаждающих средах позволяет снизить закалочные напряжения, приводящие к короблению и растрескиванию изделий, что дает легированным сталям значительные преимущества перед углеродистыми.

Заключительной операцией термической обработки стали в большинстве случаев является отпуск. Он применяется с целью приведения структуры закаленной стали в более равновесное состояние: для снятия закалочных напряжений, устранения остаточного аустенита, доведения механических свойств до требуемого уровня.

После нормальной закалки структура стали представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α -Fe, имеющий тетрагональную решетку. Объемные изменения, происходящие при образовании мартенсита, приводят к фазовому наклепу. Высокие внутренние напряжения, наличие остаточного аустенита являются нежелательными факторами, для устранения которых и используется отпуск.

Свойство отпущенной стали определяются несколькими факторами: уменьшение тетрагональности решетки, степени фазового наклона и укрупнение карбидных частиц вызывают снижение твердости и увеличение пластичности; выделение когерентных кристаллов ε - карбида и дисперсных кристаллов специальных карбидов, а также распад остаточного аустенита вызывают повышение твердости и снижение пластичности.

В доэвтектоидных сталях твердость снижается при любых нагревах, однако снижение невелико до 100-120 ºС. В заэвтектоидных сталях с более высоким содержанием углерода эффект твердения вследствие выделения ε -карбида преобладает, поэтому твердость при отпуске до 100-120 °С несколько увеличивается. Изменение твердости углеродистых сталей в интервале температур 200-300 °С в большинстве случаев зависит от количества остаточного аустенита. В заэвтектоидных сталях при этих температурах происходит задержка снижения твердости.

 

 

Рис. 4.2. Влияние скорости охлаждения на превращение аустенита в стали перлитного (а), мартенситного (б) и аустенитного (в) классов

В высоколегированных быстрорежущих сталях сильные карбидообразователи задерживают выделение карбидов железа, поэтому при температурах отпуска до 400-600 °С твердость снижается незначительно. При температурах выделения специальных карбидов в этих сталях происходит повышение твердости. Пик вторичной твердости наблюдается при температуре 500-600 °С. Затем твердость снижается (рис.4.3).

 

Рис. 4.3. Влияние температуры отпуска на твердость доэвтектоидной (1), заэвтектоидной (2) углеродистых и высоколегированной быстрорежущей (3) сталей

 

При изучении процессов отпуска следует особо подчеркнуть, что одноименные структуры закалки и отпуска (троостит и сорбит) при одинаковой твердости и прочности существенно отличаются по пластичности и вязкости. Струк Структуры, полученные при отпуске, имеют лучший комплекс механических свойств: более высокий предел текучести при одновременно более высокой пластичности. Различие в свойствах определяется особенностями структуры: феррито-цементитные смеси, образовавшиеся в результате распада аустенита, имеют пластинчатое строение, тогда как структуры, полученные при отпуске мартенсита, состоят из феррита, сохраняющего определенную дозу фазового наклепа и глобулярных карбидов.

Наиболее быстрым и доступным способом оценки механических свойств материалов является измерение их твердости. Под твердостью понимается свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела (индентора) определенной формы и размера. Эта формулировка пригодна не для всех существующих методов оценки твердости. Разнообразие этих методов и разный физический смысл чисел твердости затрудняют выработку общего определения твердости как механического свойства. В разных методах и при различных условиях проведения испытания числа твердости могут характеризовать упругие свойства, сопротивление пластической деформации, сопротивление металла разрушению.

Способы определения твердости делят на статические и динамические - в зависимости от скорости приложения нагрузки, а по способу ее приложения - на методы вдавливания и царапания. Наиболее распространены методы, в которых используется статическое вдавливание индентора нормально поверхности образца.

Во всех методах испытания на твердость очень важно правильно приготовить поверхностный слой образца. Он должен по возможности полно характеризовать материал, твердость которого необходимо определить. Все поверхностные дефекты (окалины, выбоины, вмятины, грубые риски и т.д.) должны быть удалены.

При измерении твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) стальной шарик диаметром D вдавливают в испытуемый образец под приложенной определенное время нагрузкой Р; после снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося на поверхности образца отпечатка (рис.4.4).

Число твердости по Бринеллю (НВ) есть отношение на

грузки P, действующей на шаровой индентор диаметром D, к площади F шаровой поверхности отпечатка:

HB=P/F (4.1)

Pис. 4.4. Схема вдавливания шарика

 

 

 

Рис. 4.5. Положение индентора при определении твердости по Роквеллу

Площадь отпечатка определяется и по глубине вдавливания индентора h (без снятия нагрузки)

F= πDh, (4.2)

тогда

HB=P/F=P/πDh, (кг/мм²) (4.3)

Из формул следует, что для получения одинаковых значений НВ одного и того же образца при использовании шариков разного диаметра необходимо постоянство отношений P/D² и d/D (условие геометрического подобия отпечатков при использовании шарового индентора). На практике такого постоянства добиться невозможно. Отношение d/D поддерживают в пределах 0,2 – 0,6. Рекомендуемые нагрузки и диаметры шариков для определения НВ различных металлических материалов с учетом ГОСТ 9012-59 приведены в таблице.

 

P,H	D,мм	Примечание
		2,5
30 D2				Материалы с НВ 130-450 (стали, чугуны, высокопроч-ные сплавы на основе титана, никеля, меди, алюминия).
10 D2				Материалы с НВ 35-130 (алюминиевые сплавы, латуни, бронзы).
5 D2			312,5	Алюминий, магний, цинк, латуни.
2,5 D2			156,3	Подшипниковые сплавы.
1,25 D2		312,5	78,1	Свинец, олово, припои.
0,5 D2			31,3	Мягкие материалы при повышенных температурах.

 

При измерении твердости по Роквеллу индентор-алмазный конус с углом при вершине 120º и радиусом закругления 0,2 мм или стальной шарик диаметром 1,5875 мм(1/16 дюйма) -вдавливается в образец. Число твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной нагрузкой (рис. 4.5).

При использовании в качестве индентора алмазного конуса твердость определяют по двум «шкалам» - А и С. При измерении по шкале А: Р₀=100 Н; Р₁=500 Н; Р=600 Н. По шкале С: Р₀=100 Н; Р₁=1400 Н; Р=1500 Н.

Единица твердости (0,002 мм – цена деления шкалы индикатора твердомера Роквелла) по Роквеллу – безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм.

При использовании в качестве индентора стального шарика число твердости HR определяют по шкале В, т.е. при Р₀=100 Н, Р₁=900 Н, Р=1000 Н.

По шкале А измеряют твердость в пределах 70-85 единиц, по шкале В – 25-100, по шкале С – 20-67. Числа твердости, полученные разными методами статического вдавливания индентора, связаны между собой. Зная, например, значение твердости по Бринеллю, можно перевести его с некоторым приближением в число твердости по Роквеллу или Виккерсу (см. приложение 5).

 

2. Задания

 

Задание 1. Исследование влияния температуры нагрева под закалку на структуру и твердость стали:

а) выбрать и обосновать режим нагрева под закалку для стали, марка которой предложена преподавателем (сталь 45, У12, быстрорежущая сталь);

б) выбрать несколько температур нагрева под закалку для марки стали, указанной преподавателем;

в) сделать вывод о предполагаемой структуре стали после каждого эксперимента по закалке;

г) получить образцы стали, закаленные с разных температур у преподавателя, измерить их твердость и посмотреть структуру под микроскопом;

д) зарисовать структуру стали после закалки с оптимальной температуры;

е) составить отчет о работе.

 

Задание 2. Исследование влияния скорости охлаждения с температуры закалки на структуру и твердость стали:

а) выбрать и обосновать четыре режима охлаждения так, чтобы они наиболее полно охватывали используемый на практике диапазон скоростей охлаждения для сталей 45 или У12 по указанию преподавателя;

б) после совместного обсуждения этих режимов с преподавателем сделать вывод о предполагаемой структуре стали после каждого эксперимента по охлаждению;

в) получить образцы стали, охлажденной с разными скоростями, у преподавателя, измерить их твердость и посмотреть структуру под микроскопом;

г) зарисовать структуру стали после охлаждения с разными скоростями;

д) составить отчет о работе.

 

Задание 3. Исследование влияния химического состава на структуру и твердость стали после нормализации:

а) выбрать четыре марки стали, имеющие различную структуру после нормализации;

б) объяснить причины возможности образования качественно различных структур при одинаковой скорости охлаждения;

в) получить образцы стали разного состава после нормализации у преподавателя, измерить их твердость и посмотреть структуру под микроскопом;

г) зарисовать структуры сталей после нормализации;

д) составить отчет о работе.

 

Задание 4. Исследование влияния температуры отпуска на структуру и твердость стали, предварительно закалённой на мартенсит:

а) в интервале температур отпуска выбрать несколько температур, обеспечивающих получение различных типичных для отпуска структурных состояний;

б) выбрать и обосновать несколько марок конструкционных и инструментальных сталей, имеющих качественно разные зависимости изменения твердости от температуры отпуска;

в) получить образцы отпущенных сталей у преподавателя, измерить их твердость и посмотреть структуру под микроскопом;

г) зарисовать структуру стали после отпуска;

д) составить отчет о работе.

 

3. Содержание отчета

 

1. Краткие теоретические сведения о процессах и структурных изменениях, происходящих в стали при термической обработке.

2. Обоснование выбора материалов и режимов их термообработки.

3.Результаты измерения твердости в виде таблиц и графиков.

4. Рисунки микроструктур.

 

4. Контрольные вопросы

 

1. Что такое отжиг, закалка, нормализация, отпусе?

2. Какие структуры получаются при охлаждении аустенита с различными скоростями?

3. С какой температуры закаливают доэвтектоидную сталь?

4. С какой температуры закаливают заэвтектоидную сталь?

5. Что такое мартенсит в углеродистой стали?

6. Каковы причины изменения твердости мартенсита при изменении содержания углерода в нем?

7. Виды отпуска? Структуры, возникающие в результате отпуска?

8. Сходство и различие между структурами отпуска и структурами возникающими при распаде переохлажденного аустенита?

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение материала входящего в учебное пособие и практическое выполнение лабораторных работ позволит студенту не только получить теоретические знания в области строения материалов, их дефектности, свойств, методов упрочняющих и разупрочняющих обработок, но и приобрести навыки макроскопического и микроскопического анализа, определения механических свойств, анализа надежности и долговечности изделий из металлов и неметаллов по их свойствам, освоение практических методов изменения свойств материалов с целью повышения их конструктивной прочности и технологичности обработки.

Примеры заданий на контрольные работы со ссылками на разделы литературных источников, краткое содержание теоретической программы курса материаловедения, справочные сведения по свойствам и строению материалов облегчат подготовку ко всем плановым контрольным мероприятиям, а дополнительный материал, изложенный в приложениях, позволит студенту самостоятельно подготовиться к выполнению лабораторных работ и контрольных заданий, закрепив на практике полученные теоретические знания.

Читатели, у которых появился особый интерес к данному предмету, могут обратиться к специальной литературе и получить более глубокие и детальные познания по интересующему их конкретному вопросу или предмету в целом.

Авторы выражают признательность рецензентам и редактору за внимательное прочтение рукописи и сделанные замечания, которые способствовали улучшению качества пособия.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ