Загартування — здатність сталі одержувати потрібну твердість після термообробки. Основним елементом більшості вуглецевих та низьколегованих сталей, що визначають її структуру і властивості, є вуглець. Теоретично гартуванню підлягають сталі з різною масовою часткою вуглецю. Але гартування сталей зі вмістом вуглецю, меншим ніж 0,25%, не забезпечує потрібного підвищення механічних властивостей, і в першу чергу — твердості.
Загартування вуглецевої сталі в холодній воді гарантує велику швидкість охолодження 500–600°С/с і призводить до утворення мартенситу — пересиченого твердого розчину проникнення вуглецю в ґратку α-заліза. Утворення мартенситу проходить бездифузійно. Коли нагрівати доевтектоїдну сталь до температури гартування, весь вуглець розчиняється в аустеніті. Якщо сталь із температури гартування охолоджувати зі швидкістю, більшою за критичну (див. рис. 5.3), розпад аустеніту на феритоцементитну суміш заглушується і при переході через температуру МП аустеніт витримує мартенситне перетворення: відбувається бездифузійна перебудова гранецентричної кубічної ґратки в ґратку об’ємноцентричного Feα, а весь вуглець залишається на своїх місцях, розміщуючись між вузлами α-ґратки. Чим більше вуглецю в сталі, тим більше його залишається в мартенситі й тим більше викривлення (тетрагональність) α-ґратки, а отже, і вища твердість мартенситу. Ферит — твердий розчин проникнення вуглецю в α-залізі. Але в ньому вуглецю у зрівноважених умовах розчиняється зовсім мало (за кімнатної температури 0,006%). Уміст вуглецю в мартенситі сталей 45, У8 і У12 відповідно в 75, 133 і 200 разів більший, ніж у фериті.
Структура сталі після гартування залежить від умісту в ній вуглецю. Кристалічна ґратка мартенситу в сталі не кубічна, як у Fα, а тетрагональна. Зауважимо, що тетрагональність ґратки (відношення параметрів с/а) з підвищенням умісту вуглецю лінійно збільшується, зростає твердість мартенситу. Мартенситне перетворення виникає в обумовленому інтервалі температур: починається за температури МП і закінчується за більш низької температури МК (мартенситні точки). Температури точок МП та МК залежать від складу сталі. Вуглець дуже знижує положення мартенситних точок (рис. 10.1), тому мартенситне перетворення проходить не до кінця і в загартованих сталях, що мають точку МК нижче ніж 20°С, присутній залишковий аустеніт. Це характерно для сталей із вмістом вуглецю більше ніж 0,4%. Але кількість залишкового аустеніту буде більшою при вищій масовій частці вуглецю в ньому і меншій температурі точок МП і МК (рис. 10.2). У сталі з 0,6–1,0% вуглецю масова частка залишкового аустеніту не перевищує 10%, а в сталі з 1,3–1,5% вуглецю досягає 30–50%. У деяких сталях, наприклад, із 31,3% вуглецю і 12% хрому масова частка залишкового аустеніту складає 80–100%. Характерна особливість мартенситу — високі твердість та міцність. Твердість мартенситу підвищується зі збільшенням умісту в ньому вуглецю (рис. 10.3). У сталі з 0,6–0,7% вуглецю твердість мартенситу складає НRC 65, що набагато більше за твердість фериту. Але зі збільшенням умісту вуглецю в мартенситі підвищується схильність його до крихкого руйнування. У зв'язку із цим для заевтектоїдної сталі не використовують повне гартування з нагріванням вище критичної точки Аст, а нагрівають перед гартуванням сталь на 30–50°С вище за температуру точки Ас1. У цьому випадку частина вуглецю залишається в надлишковому цементиті, й ступінь викривлення ґратки α-заліза зменшується. При цьому твердість загартованої сталі залишається високою за рахунок зниження вмісту м'якого залишкового аустеніту і вмісту занадто твердого цементиту.
| Рисунок 10.1 - Залежність мартенситних точок від процентного вмісту вуглецю в сталі | Рисунок 10.2 - Залежність масової частки залишкового аустеніту від процентного вмісту вуглецю |
Рисунок 10.3 - Залежність твердості загартованої сталі від процентного вмісту вуглецю: 1 - нагрівання вище Аст; 2 - нагрівання між Ас1 і Ас3; 3 - мікротвердість мартенситу
Порядок виконання роботи
1. Одержати комплект зразків вуглецевих сталей із різним умістом вуглецю. Визначити температуру нагрівання сталей під гартування і час витримки за заданої температури.
2. Нагріти зразки під гартування їх у холодній воді.
3. Після охолодження зачистити зразки наждачним папером та виміряти їх твердість на твердомірі Роквелла.
4. Занотувати результати досліджень у табл. 10.1.
5. За даними табл. 10.1 побудувати графік залежності твердості сталі від умісту в ній вуглецю.
6. Зробити висновки за виконаною роботою.
Таблиця 10.1 - Вплив умісту вуглецю на твердість загартованої сталі
| Номер зразка | Уміст вуглецю, % | Температура нагрівання, °С | Час нагрівання, хв | Твердість НRC |
Запитання для самоперевірки
1. У чому сутність гартування сталі?
2. Від яких факторів залежить гартування сталі?
3. Схарактеризуйте структури: ферит, аустеніт, мартенсит.
4. Від яких факторів залежить твердість мартенситу?
5. Як впливає вуглець на положення точок МН і МК?
6. Схарактеризуйте залишковий аустеніт.
Література: [1, с. 206; 2, с. 104].
Лабораторна робота №11
Цементація сталі
Мета роботи: ознайомитися із сутністю, призначенням, режимами і сферою використання цементації як одного з видів хіміко-термічної обробки; вивчити вплив цементації та наступного гартування на структуру і твердість поверхні й серцевини цементованих деталей.
