Определение критических точек и термическая обработка углеродистой стали

5.1 Цель работы: экспериментальное определение критических точек Ас₁ и Ас₃ для доэвтектоидной стали (сталь 45) и ознакомление с основными видами термической обработки углеродистой стали.

5.2 Задание

5.2.1 Используя литературные источники [1,2]. изучить диаграмму состояния Fe – Fe₃С, диаграмму изотермического распада аустенита (с-диаграмму) и основные виды термической обработки сталей.

5.2.2 Методом пробных закалок произвести закалку образцов из стали 45 с различных температур: 700⁰ С; 720⁰ С; 740⁰ С; 760⁰ С; 780⁰ С; 800⁰ С; 820⁰ С.

5.2.3 Замерить твердость исследуемых образцов после закалки и построить график в координатах " твердость – температура закалки".

5.2.4 Изучить микроструктуру образцов, закаленных от различных температур и зарисовать в таблице 5.1.

5.2.5 Произвести термическую обработку доэвтектоидной углеродистой стали (сталь 45) и заэвтектоидной углеродистой стали (сталь У12).

5.2.6 Построить график зависимости твердости закаленной стали от скорости охлаждения.

5.2.7 Изучить микроструктуру сталей, подвергнутых различным видам термической обработки и зарисовать в таблице 5.1..

5.2.8 Ответить на индивидуальный вопрос.

5.2.9 Составить отчет.

 

5.3 Основные положения

Критическими точками называются температуры, при которых происходят в металлах и сплавах превращения из одного состояния в другое. (Рис. 5.1. т.А₁;А₃;А_m)

Превращения в сталях при нагреве и охлаждении рассмотрим на примере доэвтектоидной стали 45 с помощью диаграммы состояния Fe – Fe₃C.

На рис.5.1. изображена левая нижняя часть этой диаграммы

Рис. 5.1. Диаграмма состояния Fe – Fe₃С (нижняя левая часть)

 

Линия PSK (Рис. 5.1.) представляет собой геометрическое место критических температур А₁, при которых происходит превращение перлита в аустенит при нагреве (Ас₁) или аустенита в перлит – при охлаждении (А_r1). Это превращение в равновесных условиях происходит при температуре 727⁰ С.

Линия GS представляет собой геометрическое место критических температур А₃, при которых заканчивается растворение феррита в аустените при нагреве (Ас₃) и начало выделения феррита из аустенита при охлаждении (А_r3).

Температурное положение критической точки А₃ зависит от содержания углерода в стали. Чем больше углерода в стали, тем ниже критическая точка А₃.

Линия SE представляет собой геометрическое место критических температур А_m, при которых происходит окончание растворения вторичного цементита в аустените при нагреве или начало выделения вторичного цементита из аустенита при охлаждении. Температурное положение этой критической точки также зависит от содержания в стали углерода. С увеличением количества углерода критическая точка А_m повышается.

Критические точки являются важными физическими характеристиками стали, которые необходимы для правильного назначения режимов термической обработки.

Критические точки определяются экспериментальным путем. Одним из наиболее простых методов экспериментального определения критических точек является метод пробных закалок, сущность которого заключается в следующем: несколько образцов из доэвтектоидной стали (ордината I-I на рис. 5.1.) нагревают до различных температур, например t₁ t₂ t₃ t₄ t₅ t₆ t₇, и охлаждают в воде (закаливают).

Образцы, нагретые до температур t₁ и t₂ не изменяют своего структурного строения, так как при нагреве до этих температур превращений в стали не происходит. Структура их после закалки будет такой же, как в равновесном состоянии, т.е. перлит и феррит.

При нагреве третьего образца (до температуры t₃) произойдет превращение перлита в аустенит – при 727⁰ С и структура стали при t₃ будет состоять из аустенита и феррита. В процессе охлаждения при закалке аустенитная составляющая превратится в мартенсит, а структура стали, закаленная от температуры t₃, будет состоять из мартенсита и феррита.

Таблица 5.1.

Результаты исследований стали 45

№ п/п	Марка стали	Содержание углерода, %	Температура нагрева, 0С	Охлаждающая среда	Твердость
HRB	HRC	HB
	Сталь 45	~0,45		Вода
	Сталь 45	~0,45		Вода
	Сталь 45	~0,45		Вода
	Сталь 45	~0,45		Вода
	Сталь 45	~0,45		Вода
	Сталь 45	~0,45		Вода
	Сталь 45	~0,45		Вода
	Сталь 45	~0,45		Вода

 

При закалке четвертого образца (нагрев до температуры t₄) произойдут те же превращения, что и в предыдущем случае. Структура четвертого образца после закалки от температуры t₄ будет состоять из мартенсита и феррита, но в количественном соотношении мартенсита будет больше.

При нагреве шестого образца до температуры t₆ произойдет полное растворение феррита в аустените при температуре, лежащей на линии GS, и сталь приобретает аустенитную структуру. После закалки из этого состояния образец будет иметь мартенситную структуру. Нагрев до температуры t_i также приведен к полному превращению в аустенитное состояние, и последующая закалка от этой температуры обеспечит мартенситную структуру. Таким образом, произведя серию пробных закалок от температур, лежащих ниже критических в интервале между критическими точками А₁ и А₃ и выше критической температуры А₃, возможно получить различное строение стали, а следовательно, и различные свойства. По результатам замера твердости всех закаленных образцов строят график в координатах "твердость-температура нагрева" (рис.5.2.).

Рис. 5.2. Зависимость твердости Стали 45 от температуры нагрева при закалке

 

На полученной кривой явно выражено два перегиба. Первый перегиб соответствует температуре критической точки Ас₁, когда вследствие превращения перлита в аустенит при нагреве твердость начинает возрастать, благодаря появлению в структуре мартенсита после закалки. Второй перегиб соответствует температуре критической точки А_С3, при нагреве до которой полностью обеспечивается аустенитное состояние, и твердость достигается максимального значения благодаря получению после закалки чисто мартенситной структуры. Таким образом, закалка состоит в нагреве стали выше критической точки (Ас₁ или Ас₃ в зависимости от состава стали), выдержке при этой температуре и последующим охлаждении со скоростью V₁ выше критической скорости закалки (V_КР).

Рис. 5.3. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита углеродистой стали (на рисунке схематично нанесены кривые охлаждения в различных средах: V_В – охлаждение на воздухе; V_М – охлаждение в масле; V_КР – критическая скорость закалки; V_З – охлаждение в воде).

 

На рис. 5.3. схематически представлены различные режимы охлаждения, нанесенные на диаграмму изотермического превращения аустенита углеродистой стали. Условно нанесенные кривые охлаждения соответствуют охлаждению в воде (скорость охлаждения V₃ больше V_КР), этот способ охлаждения обеспечивает получение структуры мартенсит, придающей стали наивысшую твердость. Охлаждение углеродистой стали в масле (скорость охлаждения V_М < V_КР) приведет к превращению аустенита частично в районе средних температур в троостит, а оставшаяся часть аустенита превращается в мартенсит при достижении температуры M_Н - начало мартенситного превращения. Структура такой стали будет состоять из мартенсита и троостита, что приведет к понижению твердости стали. Охлаждение стали на воздухе, т.е. со скоростью V_В < V_М приведет к еще большему понижению твердости. При такой скорости охлаждения распад аустенита происходит в верхнем районе температур, где продуктами распада оказываются мягкие структуры перлитного типа. Такой вид термической обработки называется нормализацией. Итак, нормализация состоит в нагреве стали выше критической точки (Ас₁ или Ас₃ в зависимости от состава), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе.

5.4 Порядок выполнения работы

Определяем методом пробных закалок критические точки углеродистой доэвтектоидной стали (сталь 45). Для этого берем 8 образцов и нагреваем каждый из них до соответствующих температур: 680⁰ С, 700⁰ С, 720⁰ С, 740⁰ С, 760⁰ С, 780⁰ С, 800⁰ С, 820⁰ С (табл.5.1.). Выдержав каждый образец при соответствующей температуре 5-10 минут, закалить в воде. Закаленные образцы зачищаем и замеряем твердость по Роквеллу (шкала "С") и заносим в таблицу 5.1. По этим данным строим график в координатах твердость-температура нагрева. На основании полученной экспериментальной кривой определяем температуры критических точек Ас₁ и Ас₃. С помощью оптического микроскопа изучаем микроструктуры образцов стали 45, подвергнутых закалке от различных температур и зарисовываем в таблице 5.2.

Производим термическую обработку доэвтектоидной стали (сталь 45) и эвтектоидной стали (сталь У8) по режимам указанным в таблице 5.3. После термической обработки на зачищенных образцах измеряем твердость по Роквеллу (шкала "С" или "В"). Значения твердости по Роквеллу переводим в цифры твердости по Бринеллю (НВ) с помощью таблиц. Результаты заносим в таблицу 5.3. По полученным данным строим график в координатах "твердость - скорость охлаждения" (рис. 5.4.). Анализируя полученные кривые для стали 45 и У12(У8), объясняем, как и почему влияет скорость охлаждения на твердость стали. Структуру закаленных сталей зарисовываем в таблицу 5.4.

Рис. 5.4. Зависимость твердости от скорости охлаждения при закалке сталей

 

Таблица 5.2.

Структура закаленных образцов стали 45 (схема)

Температура нагрева образцов, 0С
Структура образцов после закалки
Описание структуры

 

Таблица 5.3.

Результаты исследования закалки сталей в различных

охладительных средах

№ п/п	Марка стали	Охлаждающая среда	Температура нагрева, 0C	Скорость охлаждения V, 0С/с	Твердость
HRB	HRC	HB
	Сталь 45	Вода
	Сталь 45	Масло
	Сталь 45	Воздух
	Сталь У8	Вода
	Сталь У8	Масло
	Сталь У8	Воздух

 

Таблица 5.4.

Структура сталей закаленных в различных охлаждающих средах

Марка стали	Отожженная структура	Закаленная структура
на воздухе	в масле	в воде
Ст. 45
Описание структуры
Ст. У8
Описание структуры

 

5.5 Отчет о работе

5.5.1 Название, цель работы и задание.

5.5.2 Описание методики определения критических точек способом пробных закалок.

5.5.3 Таблица 5.1. замеров твердости и график изменения твердости в зависимости от температуры нагрева (Рис.5.2.). Значения критических точек А₁ и А₃ для исследованной стали 45, определенных по графику.

5.5.4 Таблица 5.2. микроструктур закаленных образцов стали 45.

5.5.5 Таблица 5.3. режимов термической обработки стали 45 и У12(У8) и результаты замера твердости.

5.5.6 График изменения твердости в зависимости от скорости охлаждения для стали 45 и стали У8 (Рис. 5.4.).

5.5.7 Таблица 5.4. микроструктур сталей после различных видов термической обработки (после охлаждения в различных средах).

5.5.8 Обоснование выбора режимов термической обработки для доэвтектоидной и эвтектоидной стали и объяснение влияния скорости охлаждения на твердость сталей.

5.5.9 Ответ на индивидуальный вопрос.

 

5.6 Контрольные вопросы

1. Какие температуры называются критическими?

2. Что называется закалкой?

3. Что называется нормализацией?

4. Почему заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке?

5. Какие превращения происходят при критической температуре А₁ (727⁰С) в углеродистых сталях?

6. Какие превращения происходят при критической температуре А₃ (линия GS) в доэвтектоидных сталях при охлаждении?

7. Чем объясняется высокая твердость мартенсита?

8. Чем отличаются по структуре и свойствам перлит от сорбита и троостита? Как получить эти структуры?

9. Какая закалка называется неполной?

10. Какая скорость охлаждения при закалке называется критической?

11. В каких случаях рекомендуется процесс нормализации?

12. Перечислите этапы превращения феррито - перлитной структуры Стали 45 в аустенит при нагреве?

13. Почему не подвергают полной закалке заэвтектоидные стали?

14. Какие превращения происходят при критической температуре А₃ (линия GS) в доэвтектоидных сталях при нагреве?

15. Почему при охлаждении в масле Стали 45 после закалки получается структура мартенсита и троостита?

Лабораторная работа № 6