Теоретические основы термической обработки сталей

Лабораторная работа № 12

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Цель работы

 

Изучить основы термической обработки углеродистых сталей.

Рабочее задание

1. Изучить теоретический материал, по описанию структурных превращений, происходящих при нагреве и охлаждении железоуглеродистых сплавов с различной скоростью;

2. Заполнить табл. П1;

3. Начертить стальной угол диаграммы состояния Fe-C сплавов (рис. 8.5);

4. Провести фигуративную прямую для марки стали, подлежащей термической обработке, и отметить на ней температуры, до которых предстоит нагревать опытные образцы;

5. Заполнить форму протокола термической обработки опытных образцов (табл. П2).

Оборудование и материалы

Электропечь лабораторная, твердомер ТК-2, твердомер ТКМ-359, лабораторные образцы сталей, бачки с холодной и горячей водой и минеральным маслом.

Теоретические основы термической обработки сталей

 

Основными видами термической обработки (ТО) углеродистых сталей являются: 1) отжиг на мелкое зерно; 2) нормализация; 3) одинарная термическая обработка; 4) закалка; 5) отпуск (после закалки).

Рис. 1. Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали:

1 – кривая начала диффузионного распада аустенита; 2 – кривая конца диффузионного распада аустенита; M_н – линия начала мартенситного превращения;

V _кр – критическая скорость охлаждения (П –перлит,С – сорбит, Т – тростит,

М – мартенсит)

Назначение и условия проведения основных видов

термической обработки

 

1. Отжиг на мелкое зерно – является разупрочняющей (смягчающей) ТО. Он заключается в нагреве сталей до оптимального интервала температур (рис. 1), выдержке и медленном охлаждении (обычно с печью; скорость охлаждения V ₁(рис. 1). После отжига получается равновесная мелко-зернистая структура феррита и перлита в доэвтектоидных сталях, перлита в эвтектоидной стали и перлита с разрозненными включениями вторичного цементита в заэвтектоидных сталях. Отжиг на мелкое зерно, как правило, является предварительной ТО. Его цель – устранение структурной неоднородности и крупнозернистости, отрицательно влияющих на технологические свойства. Максимальное снижение твердости и повышение пластичности для улучшения обрабатываемости (резанием, давлением). При отжиге полностью снимаются внутренние напряжения. Отжиг бывает полный, неполный, низкий и диффузионный. При полном отжиге происходит полная перекристаллизация феррита в аустенит с растворением в нем цементита. При неполном отжиге сплав нагревается выше линии PSK (Ас ₁), но ниже GSE (Ас ₃) и полной перекристаллизации не происходит. Металл также охлаждается вместе с печью. При низком отжиге сплав нагревается ниже PSK (Ас ₁) на 30–40 °С и охлаждается с печью. Перекристаллизация не происходит. Снимаются напряжения, уменьшается количество дислокаций. Низкий отжиг часто называется – рекристаллизационным отжигом. Диффузионный отжиг (гомогенизация) применяется для устранения ликвации, то есть разности химического состава стали по сечению слитка, литой заготовки. Металл длительно (20–24 часа) нагревают до 950–1100 °С, выдерживают. Для уменьшения зерна затем делают улучшение или закалку.

2. Нормализация доэвтектоидных сталей проводится так же, как отжиг на мелкое зерно, но сталь охлаждается ускоренно на спокойном воздухе (скорость V ₂ на рис. 1). После данной ТО доэвтектоидные стали состоят из мелкозернистого феррита и сорбитообразного перлита, придающего стали повышенную твердость и прочность. Поэтому нормализация может использоваться либо вместо отжига на мелкое зерно (как более производительная обработка), если возрастание твердости и прочности находится в допустимых пределах, либо как слабая упрочняющая ТО для неответственных изделий.

Заэвтектоидные стали подвергают нормализации с целью устранения сплошной цементитной сетки по границам зерен перлита. Но в отличие от отжига процесс ведут от температуры Аc_т + 30–50 °С. При этой ТО зерна аустенита и соответственно зерна перлита оказываются крупными, поэтому после нее необходимо выполнить отжиг на мелкое зерно.

3. Одинарная термическая обработка применяется сравнительно редко, как более сильная, чем нормализация, упрочняющая ТО доэвтектоидных сталей. Она осуществляется так же, как отжиг на мелкое зерно, но сталь охлаждают быстро, например, в горячей воде или струей сжатого воздуха (скорость V ₃ на рис. 1). Образующиеся пластинчатые структуры сорбита или троостита с небольшим количеством избыточного феррита или без него придают стали более высокую прочность, твердость и износостойкость по сравнению с этими свойствами в нормализованном состоянии.

4. Закалка. Процесс закалки необходим очень многим деталям, изделиям. Эта термообработка основана на перекристаллизации стали, нагретой до температуры выше критической; после достаточной выдержки – следует быстрое охлаждение. Таким путем предотвращают превращение аустенита до перлита. После закалки структура доэвтектоидных и эвтектоидной сталей состоит из мартенсита, а заэвтектоидных – из мартенсита и включений вторичного цементита. Мартенсит – основная структура закаленной стали, которая обусловливает максимальное повышение ее твердости. Однако закаленная сталь практически неработоспособна из-за высокой хрупкости, присущей мартенситу, и высокого уровня закалочных напряжений, которые возникают из-за очень быстрого охлаждения и могут вызвать коробление детали или даже появление в ней трещин. Поэтому после закалки проводится заключительная операция термической обработки – отпуск.

Неполная закалка — закалка доэвтектоидной стали с нагревом до температур межкритического интервала A ₁ –A ₃, не обеспечивающим полного превращения исходной структуры в аустенит, приводящая к формированию ферритно-мартенситной (дуальной) структуры, т.е. в структуре закаленной стали, кроме мартенсита, будет присутствовать феррит, что существенно ухудшает свойства.

Стали, подвергающиеся закалке, характеризуются закаливаемостью и прокаливаемостью.

Закаливаемость – способность стали принимать закалку, т.е. приобретать при закалке детали высокую твердость.

Прокаливаемость – способность стали образовывать закаленный слой со структурой мартенсита и высокой твердостью. Прокаливаемость образца характеризуется максимально получаемой твердостью по сечению изделия. При неполной прокаливаемостиее конкретная величина определяет возможность получения при закалке материала с установленным значением твердости на определенной глубине. Полная прокаливаемость, то есть наличие мартенситной структуры по всему сечению изделия, называется сквозной. Стали с малым содержанием углерода закалить на мартенсит очень трудно, так как начало и конец процесса образования мартенсита происходит в области высоких температур, соответствующих образованию других, более устойчивых структур (троостит, сорбит). Прокаливаемость обыкновенной углеродистой стали распространяется на 5–7 мм.

Микроструктура закаленной стали зависит от ее химического состава и условий закалки (температуры нагрева и режима охлаждения). Закалка стали с содержанием углерода до 0,025...0,03% задерживает выделение третичного цементита по границам зерен и не меняет структуру феррита. Такая закалка повышает пластичность и почти не изменяет прочностных характеристик.

Микроструктура стали с 0,08...0,15%С (с нагревом выше верхних критических точек и охлаждением в воде) представляет собой низкоуглеродистый мартенсит с выделениями феррита. Дальнейшее увеличение содержания углерода (0,15–0,25%) при тех же условиях закалки приводит к повышению твердости с 110–130 НВ до 140–180 НВ, а предел текучести возрастает на 30–50%. Наиболее значительное изменение свойств происходит при содержании углерода более 0,30–0,35%.

Микроструктура доэвтектоидных сталей представляет собой мартенсит, кристаллы которого имеют характерную форму пластин (игл). При содержании углерода более 0,5–0,6% в микроструктуре сталей наблюдается незначительное (2–3%) количество аустенита.

Микроструктура заэвтектоидных сталей состоит из мартенсита, зерен вторичного цементита (не растворившегося при нагреве) и остаточного аустенита. Кристаллы (иглы) мартенсита очень небольших размеров.

Повышение температуры закалки вызывает растворение вторичного цементита и способствует росту зерна.

В тех случаях, когда требуются высокая твердость и повышенная износостойкость поверхности при сохранении вязкой и достаточно прочной сердцевины изделия, применяется поверхностная закалка, то есть закалка не на полную глубину. Поверхностной закалке подвергаются стали при содержании углерода более 0,3%. Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условиями работы детали и составляет от 1,5 до 15 мм (и выше). Площадь сечения закаленного слоя не должна превышать 20% площади всего сечения. В практике наиболее часто используют поверхностную закалку с индукционным нагревом током высокой частоты (ТВЧ).

Изотермическая закалка (закалка в горячих средах) основана на изотермическом распаде аустенита; охлаждение ведется не до комнатной температуры, а до температуры несколько выше начала мартенситного превращения (200–300 °С, зависит от марки стали). Как охладитель используют соляные расплавы или нагретое до 200–250 °С масло. При температуре горячей ванны деталь выдерживается продолжительное время, пока пойдут инкубационный период и распадение аустенита. В результате получается структура игольчатого троостита, по твердости близкого к мартенситу, но более вязкого, прочного. Последующее охлаждение производится на воздухе, чтобы провести процесс изотермической закалки, вначале требуется быстрое охлаждение со скоростью не менее критической, чтобы избежать распадения аустенита в условиях, отвечающих перегибу С-образной кривой. Следовательно, по этому методу можно закаливать только небольшие (примерно, диаметром до 8 мм) детали из углеродистой стали, так как запас энергии в более тяжелых деталях не позволит достаточно быстро их охладить. Это не относится, однако, к легированным сталям, большинство марок которых имеет значительно меньшие критические скорости закалки. После изотермической закалки детали свободны от внутренних напряжений и не имеют трещин.

5. Отпуск. Цель отпуска – снизить уровень остаточных закалочных напряжений и получить работоспособные структуры и соответствующие им свойства – твердость, износостойкость, прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали ниже температуры А ₁, довольно продолжительной выдержке (в среднем от 0,5 до 2–3 часов) для завершения диффузионных процессов формирования той или иной окончательной структуры отпуска и последующем охлаждении (обычно на воздухе), скорость которого, в отличие от других операций ТО, не влияет на сформировавшуюся в процессе выдержки структуру.

Различают низкий (150–250 °С), средний (350–400 °С) и высокий (500–650 °С) отпуск.

При низком отпуске вследствие частичного выделения из кристаллической решетки мартенсита избыточного углерода в виде высоко-дисперсных карбидов и уменьшения внутренних напряжений, хрупкость стали несколько снижается, а ее твердость изменяется незначительно. Мартенсит, обедненный углеродом при отпуске, называется мартенситом отпуска и представляет собой уже достаточно работоспособную структуру. Низкому отпуску подвергаются изделия, которые должны быть твердыми и износостойкими: режущие инструменты, цементованные, цианированные, поверхностно-закаленные детали.

При среднем отпуске мартенсит распадается уже полностью на троостит отпуска зернистого строения (кристаллы цементита в нем имеют округлую форму), а внутренние напряжения значительно снижаются. Сталь с такой структурой характеризуется меньшей твердостью, высокой упругостью при повышенной пластичности и ударной вязкости. Поэтому средний отпуск применяют для получения упруго-вязких изделий – пружин, рессор, торсионов, мембран и др.

При высоком отпуске получается структура сорбита отпуска зернистого строения, а оставшиеся после закалки внутренние напряжения почти полностью снимаются. Твердость и прочность сорбита отпуска ниже, чем у троостита отпуска, но выше, чем у структур, получаемых после нормализации и тем более после отжига. В то же время сорбит отпуска имеет высокую пластичность и максимально возможную ударную вязкость. Поэтому высокий отпуск применяют для получения изделий с максимально высокой вязкостью и повышенной прочностью – ответственных тяжело нагруженных деталей, работающих в условиях высоких статических, динамических и знакопеременных нагрузок.

 

Порядок выполнения работы

1. По диаграмме Fe – Fе₃С определить оптимальную температуру нагрева стали 45 для получения структуры мелкозернистого аустенита;

2. Нагреть муфельную печь до этой температуры;

3. Загрузить 4 образца в нагретую печь и выдержать их в течение 15 мин;

4. Охладить один образец на спокойном воздухе, другой – в кипящей воде, третий – в минеральном масле и четвертый – в холодной воде;

5. Зачистить каждый образец с двух сторон для удаления окалины;

6. Измерить их твердость на приборе Роквелла и среднее значение из трех испытаний записать в сводную таблицу;

7. Установить в муфельных печах заданные температуры отпуска (200; 300; 400; 500 и 600 °С);

8. Заложить в них по одному предварительно закаленному образцу, выдержать в течение 30 мин. и охладить на воздухе;

9. Зачистить образцы с двух сторон, измерить их твердость и среднее значение из трех измерений записать в сводную таблицу;

10. Перенести данные сводной таблицы в таблицу п. 4 и п. 5 бланка отчета;

11. Построить графики зависимости твердости от скорости охлаждения и температуры отпуска;

12. Идентифицировать каждую операцию термической обработки и установить соответствующую ей микроструктуру;

13. Результаты замеров твердости по методу Роквелла записываются в соответствующую графу таблицы, затем переводятся в значения твердости по Бриннелю по переводной таблице (табл. П3) и записываются в графу «Твердость НВ, кгс/мм²».