Влияние углерода на свойства сталей

Углерод - основной легирующий элемент, оказывающий определяющее влияние насвойства и структуру стали. Увеличение содержания углерода в стали до 0,8% приводит кповышению прочностных свойств, твердости и снижению пластичности за счетзамены мягкого феррита на более прочный перлит. Снижение прочности при содержанииуглерода свыше 0,8% в сталях, не подвергнутых термической обработке, связано споявлением хрупкой цементитной сетки по границам перлитных зерен.

Закалка стали

Закалка - это операция термической обработки, при которой сталь нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре для выравнивания химического состава фаз, а затем охлаждают с высокой скоростью.

Основное назначение закалки - получить сталь с высокими физико-механическими характеристиками: твердостью, прочностью, износостойкостью. Качество закалки зависит от правильного выбора режима: температуры, времени выдержки, скорости охлаждения.Температуру нагрева стали под закалку определяют по диаграммесостоянияFe-C.

Доэвтектоидные стали нагревают до температуры выше линии GS на 30...50ºС (А_С3 + 30...50 ºС).

Заэвтектоидные стали нагревают до температуры выше линии PSK 30...50ºС (А _С1+30...50 ºС). Такой нагрев заэвтектоидных сталей осуществляют с целью предотвращения растворения цементита вторичного в аустените, так как это может привести к растрескиванию стали в процессе закалки.

Скорость нагрева стали под закалку должна обеспечивать равномерный и быстрый нагрев, не вызывающий больших напряжений, приводящих к образованию трещин в металле из-за разности термического расширения наружных и внутренних слоев детали. Скорость нагрева зависит от химического состава стали, формы, размеров, способа нагрева и расположения деталей в нагревательном устройстве. Обычно назначают время нагрева в зависимости от вида нагревательного устройства и толщины детали.

Охлаждающие среды выбирают в зависимости от химического состава, т.е. теплопроводности стали. При закалке стали возникают большие внутренние напряжение, которые складываются из термических и структурных (фазовых) напряжений. Чем больше скорость охлаждения и меньше теплопроводность стали, тем больше термические напряжения. Чем больше углерода в стали, тем больше фазовые напряжения.

В качестве охлаждающих сред при закалке применяют: воду, водные растворы солей, кислот, щелочей; минеральные масла; расплавы солей. Самая высокая скорость охлаждения в чистой воде, самая низкая - в расплавах солей.

Закаленные доэвтектоидные и эвтектоидные стали при V _охл> 180...200ºС имеют структуру мартенсита и остаточного аустенита, заэвтектоидные‑ мартенсита, вторичного цементита и остаточного аустенита. Обычно в углеродистых сталях остается очень мало аустенита, и он исчезает при следующих термических обработках.

Отпуск стали

Отпуск стали - это термическая операция, при которой закаленную сталь нагревают до определенной температуры (всегда ниже А _С1), выдерживают при этой температуре,а затем охлаждают.

Основное назначение отпуска - снять внутренние напряжения и повысить вязкость стали. При отпуске закаленной стали сильно напряженный мартенсит в зависимости от температуры нагрева либо распадается на цементито-ферритную смесь, либо остается, но выделяет какую-то часть углерода в виде карбидов. Структура становится более равновесной, внутренние напряжения уменьшаются. Твердость и прочность стали несколько понижаются, а пластичность повышается. Чем выше температура отпуска, тем полнее идет распад мартенсита.

Различают три вида отпуска:

- высокий (нагрев до 500...650ºС);

- средний (нагрев до 350...450 ºС);

- низкий (нагрев до 100...200ºС).

В соответствии с этим получают три вида структур.

Высокий отпуск приводит к образованию сорбита, обладающего высокой прочностью и пластичностью. Термообработку, заключающуюся в закалке на мартенсит и последующем высоком отпуске, называют улучшением.

Средний отпуск приводит к образованию троостита, обладающего достаточной прочностью и пластичностью, но более высокой твердостью, чем сорбит.

Низкий отпуск приводит к образованию мартенсита отпуска, отличающегося от мартенсита закалки пониженными внутренними напряжениями, несколько пониженной твердостью и повышенной пластичностью.

Остаточный аустенит исчезает и превращается в соответствии с видом отпуска в сорбит, троостит или мартенсит отпуска.

Нормализация сталей

Нормализация стали проводится с целью измельчения ее структуры. При нормализации доэвтектоидная сталь нагревается на 30-60ºС выше критической точки А ₃, выдерживают при этой температуре и затем охлаждают на воздухе. После нормализации сталь приобретает мелкозернистую феррито-перлитную структуру, что приводит к повышению ее механических свойств и улучшению обрабатываемости стали резанием.

Отжиг сталей

Чтобы облегчить механическую или пластическую обработку стальной детали, уменьшают ее твердость путем отжига. Так называемый полныйотжиг заключается в том, что деталь или заготовку нагревают до температуры 900 °С, выдерживают при этой темпера-туре некоторое время, необходимое для прогрева ее по всему объему, а затем медленно (обычно вместе с печью) охлаждают до комнатной температуры.

Внутренние напряжения, возникшие в детали при механической обработке, снимают низкотемпературнымотжигом, при котором деталь нагревают до температуры 500—600 °С, а затем охлаждают вместе с печью. Для снятия внутренних напряжений и некоторого уменьшения твердости стали применяют неполныйотжиг — нагрев до 750—760 °С и последующее медленное (также вместе с печью) охлаждение.

Разновидностью отжига стали является гомогенизация – создание однородной (гомогенной) структуры в сплавах путем ликвидации микронеоднородностей структуры сплава, возникающих при неравновесной кристаллизации расплава. При гомогенизации сплавы подвергаются т.н. диффузионному, или гомогенизирующему, отжигу, что повышает пластичность и стабильность механических свойств сплава.

При гомогенизации сталь нагревается до температуры 1000 – 1100 ºС выдерживается при этой температуре для полного равномерного прогрева всего сечения образца и медленно охлаждается вместе с печью.